Книги, научные публикации
Pages: | 1 | 2 | -- [ Страница 1 ] --
ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи
ЧУМАКОВ РОМАН ЕВГЕНЬЕВИЧ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ СБОРОЧНО-РЕЗЬБООБРАЗУЮЩИМИ ПРОЦЕССАМИ Специальность: 05.02.08 -
Технология машиностроения ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель доктор технических наук, Березин С.Я.
Чита 2002 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ............................... 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СБОРОЧНО-РЕЗЬБООБРАЗУЮЩИХ ПРОЦЕССОВ И ВОПРОСОВ ИХ УПРАВЛЯЕМОСТИ............ 1.1. РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ СБОРКИ СОЕДИНЕНИЙ С РЕЗЬБООБРАЗУЮЩИМИ КРЕПЕЖНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ..... 1.1.1. Соединения с резьбообразующими шпильками.... 1.1.2. Соединения с резьбоформирующими и сверлящерезьбоформирующими винтами............. 1.1.3. Соединения с резьбоформирующими и самоустанавливающимися втулками.......... 1.2. 1.3. 1.4. 5 10 12 13 15 18 ПРОБЛЕМЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СБОРОЧНО-РЕЗЬБООБРАЗУЮЩИХ ПРОЦЕССОВ 19 СОСТОЯНИЕ СБОРОЧНО-РЕЗЬБООБРАЗУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИИ В РЕШЕНИИ ЗАДАЧ КОМПЛЕКСНОГО УПРАВЛЕНИЯ........ 28 ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СБОРОЧНО-РЕЗЬБООБРАЗУЮЩИМИ ОПЕРАЦИЯМИ........ 1.5. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.................. 33 ВЫВОДЫ.................................. 35 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.............................. 2.1. 2.2. 2.3. ОБОСНОВАНИЕ ОБЪЕМА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........................... 36 ВЫБОР КРЕПЕЖНЫХ ДЕТАЛЕЙ И ОБРАЗЦОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ............................ 39 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СБОРКИ.......................... СПОСОБ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ СТОПОРЯЩИХ И НЕСУЩИХ СВОЙСТВ СОЕДИНЕНИЙ................. 53 ВЫВОДЫ................................... 54 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ КОМПЛЕКСНОГО УПРАВЛЕНИЯ СБОРОЧНО-РЕЗЬБООБРАЗУЮЩИМ ПРОЦЕССОМ............. 2.4. 2.5.
2.3.1. Контролируемые параметры и контрольноизмерительная аппаратура.................. 2.3.2. Тарировка измерителей электрических параметров.... 2.3.3. Динамометр крутящего момента.............. 2.3.4. Тарировка динамометра и точность измерения силовых параметров.......................... СХЕМЫ БАЗИРОВАНИЯ КРЕПЕЖНЫХ ДЕТАЛЕЙ...........
45 47 49 50 3.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ................. 56 3.2. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ И АНАЛИЗ РАЗМЕРНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАЧАЛЬНОГО ПОЛОЖЕНИЯ КРЕПЕЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ...... 3 3.3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СКОРОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЕНИЯ............................. 3.3.1. Закон изменения скорости на этапе наживления..... 3.3.2. Обеспечение устойчивости крепежных элементов в начальный момент завинчивания............. 3.3.3. Обоснование скорости на этапе завинчивания....... 3.4. СИЛОВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ СБОРОЧНОГО ПРОЦЕССА......... 3.4.1. Крутящие моменты, возникающие при установке винтов 3.4.2. Сборка пакета разнородных листовых материалов.... 3.4.3. Усилие затяжки соединения................. ВЫВОДЫ................................... 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ СБОРКОЙ СОЕДИНЕНИЯ........................... 4.1. ВЫБОР ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ФАКТОРОВ И ИНТЕРВАЛОВ ИХ ВАРЬИРОВАНИЯ........................... 4.2. СРАВНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ДАННЫХ................................ 4.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФУНКЦИИ ОПТИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ СВИНЧИВАНИЯ............. 4.4. ИССЛЕДОВАНИЕ СТОПОРЯЩИХ СВОЙСТВ ОБРАЗУЕМЫХ СОЕДИНЕНИЙ............................. 4.5. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ.... ВЫВОДЫ................................... 5. ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СБОРОЧНО-РЕЗЬБООБРАЗУЮЩИМИ ОПЕРАЦИЯМИ............ 5.1. ЭТАПЫ СБОРОЧНО-РЕЗЬБООБРАЗУЮЩИХ ОПЕРАЦИЙ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ В СРЕДЕ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ.......... 5.2. ИНФОРМАЦИОННО-ПОИСКОВАЯ СИСТЕМА............. 5.3. АНАЛИТИЧЕСКИЕ БЛОКИ....................... 5.4. АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРИНЦИПОВ УПРАВЛЕНИЯ СБОРОЧНО-РЕЗЬБООБРАЗУЮЩИМИ ОПЕРАЦИЯМИ........ ВЫВОДЫ................................... 6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ.............................. 6.1. РЕКОМЕНДАЦИИ И ПОРЯДОК РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СБОРКИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ........... 6.2. РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ УПРАВЛЕНИЯ СБОРОЧНО-РЕЗЬБООБРАЗУЮЩИМ ПРОЦЕССОМ.......... 6.3. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ 67 70 72 78 80 81 84 85 89 90 94 99 101 111 115 120 122 124 127 130 135 137 138 138 ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СБОРОЧНО-РЕЗЬБООБРАЗУЮЩИХ ПРОЦЕССОВ........... 144 ВЫВОДЫ................................... 148 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ........................ СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ.................. 151 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Дополнительные данные к разделу Современное состояние сборочно-резьбообразующих процессов и вопросов их управляемости.............................. ПРИЛОЖЕНИЕ 2. К разделу Теоретические принципы комплексного управления сборочно-резьбообразующим процессом ......... ПРИЛОЖЕНИЕ 3. К разделу Экспериментальное обоснование процесса управления сборкой соединений............... ПРИЛОЖЕНИЕ 4. К разделу Программно-технический комплекс системы управления сборочно-резьбообразующими операциями... ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Акт внедрения результатов диссертационной работы 167 171 179 195 5 ВВЕДЕНИЕ В процессе сборки резьбовых соединений широко используется современное высокопроизводительное оборудование, средства автоматизации и интенсификации, системы контроля параметров сборочных операций и получаемых соединений. Однако, несмотря на прогресс в развитии резьбосборочных технологий, трудоемкость основных операций сборки резьбовых деталей по-прежнему остается в пределах 35-40 % [79]. Эффективность технологий определяется суммарным техническим эффектом, получаемым от их реализации [99]. Применительно к сборке резьбовых соединений эффективность определяется показателями: - производительности и экономичности операций сопряжения;
- трудоемкости;
- качества получаемых соединений;
Одним из направлений улучшения данных показателей является внедрение сборочноЦрезьбообразующих процессов, основанных на применении в конструкциях изделий резьбообразующих крепежных деталей [15]. Широкое внедрение их в производство началось с технологии сборки так называемых гладкоЦрезьбовых соединений и самонарезающих винтов. Этот этап связан с именами известных ученых и специалистов, таких как Г.Б. Иосилевич, Г.Г. Иноземцев, Н.С. Буткин, Б.И. Пикалов, И.Ф. Молохов, В.А. Оконешников, И.У. Заиров, А.Н. Пахоменко, В.М. Лабецкий, Г.А. Семичевский, А. Готлинг, Г. Кретчмер, К. Миколаш, Х. Ингер и других. Резьбоформирующие винты, шпильки, втулки завинчиваются в гладкие отверстия и сами образуют резьбовой профиль резанием или деформированием. Снижение трудоемкости достигается устранением операции предварительного резьбообразования, а получаемые соединения обладают высокими эксплуатационноЦтехническими показателями [43, 49, 53, 61, 91, 92, 124, 134].
6 Расширение номенклатуры крепежноЦрезьбообразующих элементов (КРЭ), внедрение специальных технологий, снижающих силовую напряженность операций сопряжения, и автоматизированного оборудования для сборки [10, 11, 14] позволили значительно расширить область применения сборочноЦрезьбообразующих процессов, создать их научную основу и элементы системного анализа, однако остается ряд нерешенных вопросов, ограничивающих эффективность их реализации в промышленности. Одна из таких проблем связана с решением задач комплексного управления операциями сборки крепежноЦрезьбообразующих элементов на всех этапах их осуществления. Большой объем информации в области резьбосборочных технологий создает значительные трудности специалисту в выборе оптимального варианта формирования соединения. Кроме того, известные способы реализации сборочноЦрезьбообразующих процессов носят пассивный характер, не позволяя активно вмешиваться в их ход и формировать параметры, как самого соединительного этапа, так и получаемых соединений. Известные работы в области управления завинчивающими операциями касаются как правило контроля какого-то одного из параметров: совмещения осей, скорости свинчивания, момента затяжки и других [21, 28, 40, 41, 109, 118]. Формирование же технологического процесса сборки и качественных показателей получаемых соединений происходит как в определенном информационноЦтехнологическом пространстве, так и на разных этапах разработки процесса сборки соединений. Первая составляющая включает [3, 15, 40, 105]: - типы крепежных элементов;
- технология сборки соединений;
- оборудование и оснащение для сборочных операций;
Этапы формирования охватывают: ознакомительный период, аналитический этап и принятие технического решения, проектный этап конструкторскоЦтехнологической подготовки операции, производство самой операции и 7 получение готового соединения, послесборочные этапы, включая анализ процесса эксплуатации. Информационное обеспечение сборочноЦрезьбообразующих процессов недостаточно для решения задачи организации системных принципов управления их показателями и формирование характеристик получаемых соединений. Имеющиеся разработки в области создания блоков оптимизационного моделирования параметров сопряжения и подсистем подготовки технологических данных (САПТД) [15] носят локальный характер и позволяют автоматизировать только отдельные этапы разработки технологических процессов сборки. Задачей комплексного управления является создание системы оперативного взаимодействия специалиста как с информационноЦаналитическим и проектным пространством, так и с физическими объектами (оборудованием, оснасткой), реализующими сам сборочный процесс. Такая система позволит не только обеспечить надежную сборку, но и целенаправленно формировать параметры готовых соединений, а также совершенствовать собственную структуру. Таким образом разработка системных принципов управления параметрами сборочноЦрезьбообразующих процессов на всех этапах их реализации является актуальной задачей. В ходе исследований, проводимых в данном направлении были разработаны: 1. Комплексная ков: - Информационно-поисковая система выбора крепежных элементов, способов их постановки и фиксации;
- Блок логического вывода (экспертная компонента);
- Блок многопараметрического оптимизационного моделирования режимов сборки;
информацонноЦуправляющая система сборочнорезьбообразующих технологий [17]. Она состоит из следующих бло 8 - Базы данных по типам крепежных элементов и способов сборки 2. Экспериментальные установки для исследования технологических показателей сборочных операций. 3. Система Сформированы техникоЦэкономического также классификационные анализа признаки сборочно - крепежно - резьбообразующих операций. резьбообразующих деталей и элементов вспомогательной оснастки. Полученные результаты стали основой представленной диссертационной работы, целью которой становится повышение эффективности сборочноЦрезьбообразующих операций на основе принципов управления с использованием информационноЦпоисковых и управляющих систем с экспертной компонентой. Поставленная цель достигается решением следующих задач: 1. Разработка обобщенной структуры информационноЦуправляющей системы. 2. Обоснование принципов управления на каждом из этапов реализации сборки. 3. Анализ динамики процесса сопряжения и силовых показателей. 4. Разработка алгоритмов и систем активного управления режимами сборки. 5. Проведение экспериментальных исследований для подтверждения соответствия теоретических положений. 6. Разработка систем аналитического моделирования режимов сопряжения для формирования оптимальных показателей на аналитическом этапе разработки. 7. Модернизация имеющейся подсистемы САПТД путем введения новых систем ограничений, баз данных по крепежным изделиям, оборудованию и оснащению. 8. Разработка систем техникоЦэкономического анализа эффективности сборочноЦрезьбообразующих процессов.
9 9. Обоснование технологических рекомендаций для промышленности и создания программных продуктов для внедрения. В представленной работе защищаются: 1. Новые принципы комплексного управления сборочно - резьбообразующими процессами с целевым формированием параметров процесса сопряжения и получаемых соединений. 2. Структура информационных блоков управляющей системы с элементами экспертной оценки вариантов реализации сборочных процессов. 3. Аналитические зависимости динамических показателей операции сопряжения для различных конфигураций резьбовых частей посадочного участка. 4. Принципы, структура и конструкции систем управления режимами сборки деталей. 5. Результаты экспериментальных исследований основных технологических показателей завинчивающих операций. 6. Конструкции экспериментальных установок для исследования показателей завинчивающих операций. 7. Системы оптимизационного моделирования режимов сборочного процесса и техникоЦэкономического обоснования технологической реализации. 8. Система автоматизированной подготовки технологических данных.
Работа выполнена в Читинском государственном техническом университете. Ее актуальность подтверждается выполнением в рамках региональной программы развития промышленного потенциала и конверсии оборонного комплекса Забайкалья, а также по программе госбюджетных НИР ЧитГТУ № 01Ц98, 03Ц2001.
10 ГЛАВА I СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СБОРОЧНОРЕЗЬБООБРАЗУЮЩИХ ПРОЦЕССОВ И ВОПРОСОВ ИХ УПРАВЛЯЕМОСТИ Широкое исследование крепежных деталей с резьбо- и профилеобразующими участками основано на положительных показателях их монтажа и качественных характеристиках получаемых соединений. Номенклатура крепежнорезьбообразующих деталей постоянно совершенствуется и расширяется. Объединяя в одном переходе процессы резьбообразования, сопряжения и затяжки соединений, такие детали позволяют обеспечить в резьбовых парах высокие показатели прочности, стопорения и ремонтопригодности [24, 61, 106, 117]. Резьбообразующие шпильки, винты и болты, втулки (футорки), штифты и другие элементы выпускаются в соответствии с государственными и отраслевыми стандартами, техническими условиями, а также в соответствии с данными каталогов ведущих фирм и корпораций [46, 85, 86, 87, 103, 136]. Контроль вопросов их производства, технологий сборки, ресурсных испытаний соединений, их качественных характеристик и разработки перспективных конструкций деталей производится ведущими научно-производственными организациями. В России круг таких организаций охватывает ВНИИметиз (г. Магнитогорск), КТИавтометиз и завод Автонормаль, НИИТавтопром, НИАТ. Исследование материалов для крепежных деталей производилось на Саратовском метизном и Орловском сталепрокатном заводах, в ЦНИИчермете и ЦНИИпромстальконструкция [27, 67, 68, 94]. Вопросы сборки резьбовых соединений и возможностей использования технологического оборудования исследовались в СКБ Мехинструмент, НИИавтопроме и специализированных лабораториях Московского авиационного института им. С. Орджоникидзе, Тольяттинского политехнического, КБ Автоматизация и роботизация сборочных операций (АРСО) Пензенского технологического института, завода-ВТУЗа, филиала Красноярского политехнического института, Уфимского авиационного института и ряда других [62, 97, 100, 113].
11 Из зарубежных организаций наиболее известны такие как: IFI - Industrial Fasteners Institute (США), лаборатории корпорации REMINC (США), Союз немецких производителей крепежных деталей (Германия), департамент JAB (Япония), институт TIFI - Taiwan Industrial Fasteners Institute (Тайвань), Е Данные организации производят основную исследовательскую, координационную и маркетинговую работу в области прогрессивных типов крепежных и крепежно-резьбообразующих элементов. По данным John R., и Jones S. вклад соединительных технологий в ВНП США составляет 50% с добавленной стоимости в 50 млрд. долларов, при этом 6,7 млрд. долл. приходится на оборонный заказ. Например, промышленность США производит более двух миллионов типов крепежных деталей, среди них только 50 тысяч стандартизированы [90, 130]. По данным института промышленного крепежа (IFIЦIndustrial Fasteners Institute) более 200 млрд. крепежных изделий используется ежегодно в США, из них 26 млрд. потребляет автомобильная промышленность. В настоящее время производством крепежа занимаются 380 крупных фирм, обеспечивающих рабочими местами 44 тыс. служащих, с общим доходом 7,5 млрд. $ в год. Потребление крепежных изделий по отраслям промышленности составляет: Х Автомобильная промышленность - 42%, Х Аэрокосмическая - 14.3%, Х Остальная - 43.7%. Номенклатура крепежных элементов: Х С наружной резьбой - 40%, Х Крепеж для аэрокосмической промышленности - 21%, Х Без резьбы - 13%, Х С внутренней резьбой - 11%, Х Другие фасонные детали - 9%, Х Нестандартные - 6%.
1.1.
12 Развитие технологии сборки соединений с резьбообразующими крепежными элементами В начале 70-х годов в производстве и ремонте широко используются самонарезающие винты. Способ образования соединения путем ввинчивания шпилек в корпусные детали из алюминиевых и магниевых сплавов был впервые описан в работах Г.Б. Иосилевича и Н.С. Буткина [24]. Соединения с деформирующими шпильками получили название гладко - резьбовых (ГРС) [4, 6, 24, 74]. С 1975 года началось интенсивное исследование сборочных процессов получения гладко-резьбовых соединений. В 1975 году были разработаны стандарты ГОСТ 22042-76, ГОСТ 22043-76 на шпильки для гладких отверстий. Основой для описания процессов резьбовыдавливания крепежными элементами явились процессы раскатывания внутренних резьб с помощью раскатников [34, 71, 102, 140]. По некоторым моментам эти процессы аналогичны (размеры резьбы, упрочняемость профиля), однако резьбообразующий элемент имеет разное назначение и работает в различных условиях. КРЭ выполняет двойную функцию (инструмент-деталь), имеет меньшую прочность поперечного сечения по сравнению с раскатником и к нему предъявляются высокие эксплуатационные требования. В работе С.Я. Березина [15] теоретически обоснованы геометрические параметры резьбовыдавливающих участков стандартных и нестандартных резьбовых профилей, а также силовые показатели процесса сборки с использованием ультразвуковых колебаний и электрического тока высокой плотности. Номенклатура резьбообразующих крепежных элементов постоянно расширяется. Наибольшее распространение получили самонарезающие и самонакатывающие винты, шпильки, футорки [85, 86, 87]. Эти крепежные элементы широко используются в машиностроении, автомобильной промышленности, авиастроении, электротехнике, приборостроении, строительстве и других отраслях. Однако использование только стандартных крепежных элементов сужа 13 ет область применения ГРС. В технически развитых странах, таких как США, Германия, Франция, Великобритания, Япония количество компаний, занимающихся производством нестандартного крепежа, растет с каждым годом. 1.1.1. Соединения с резьбообразующими шпильками Технология сборки гладко-резьбовых соединений получила значительное развитие благодаря исследованиям И.А. Биргера, Г.Б. Иосилевича, Г.Г. Иноземцева, В.М. Лабецкого, Г.А. Семичевского, А.В. Хандожко, В.А. Лукьянова, А.Н. Прокофьева, Enger Chr., Gthling A. Указанные процессы нашли широкое применение в производственных циклах таких предприятий как Алтайский моторный завод, Львоский автобусный, Днепроджержинский агрегатный, Брянский машиностроительный, Минский мотоциклетный, Запорожский автомобильный заводы. На Читинском АО Машзавод сборка гладко-резьбовых соединений используется в производстве винтовых компрессорных станций ПВ-10, НВ-10 с 1976 года (сборка узлов пневмоаппаратуры подготовки воздуха). На Читинском АО Станкостроительный завод данная технология применяется в производстве магнитной оснастки. Гладко-резьбовые соединения охватывают диапазон метрических резьб от М5 до М22 с шагом до 2 мм. В известных работах исследованы возможности постановки деформирующих шпилек в гладкие отверстия корпусов из алюминиевых и магниевых сплавов: АЛ4, АЛ5, АЛ9, МЛ5, МЛ7, ВАЛ5 [24, 25, 117], корпуса из латуни Л69, низкоуглеродистых сталей с твердостью до 190 НВ и серых чугунов с НВ<215 [14]. По своим свойствам ГРС аналогичны соединениям с натягом по среднему диаметру. Натяг обеспечивает высокие стопорящие свойства, но в то же время вызывает значительные крутящие моменты свинчивания, а это приводит к снижению надежности сборки и плохой управляемости процессом. Однако у соединений по ГОСТ 4608-81 резьба в гнезде образуется метчиками по ГОСТ 14 11188-82, что увеличивает трудоемкость сборочной операции и требует сортировки шпилек на селективные группы для создания однородных натягов. [79]. При сборке ГРС внутренняя резьба выдавливается заходным витком шпильки. Стопорение происходит за счет силы трения, возникающей на вершинах резьбы по наружному диаметру и боковых сторонах профиля. Последеформационная усадка корпусного материала обеспечивает радиальный натяг и надежное стопорение соединения. Н.С. Буткин [24] установил, что значение коэффициента стопорения (отношение момента отвинчивания к моменту завинчивания) находится в пределах 0.7Е1.1 для корпусов из магниевых (меньшие значения) и алюминиевых (большие значения) сплавов. Ввинчивание деформирующих шпилек сопровождается высокими значениями крутящих моментов. Это объясняется тем, что моменты сборки ГРС имеют две составляющие: деформационную Мg и фрикционную Мт. При этом первая составляющая определяется заходным витком шпильки, а вторая - процессом трения на витках резьбы [105].
B M KP = M g + M T = M g + (M T + M T ) n, (1.1) где M T - момент трения на боковой поверхности резьбового профиля, M TB - момент трения по вершинам резьбы, n - число витков на длине свинчивания (без деформирующего витка).
Значительные крутящие моменты ограничивают применение ГРС и снижают надежность процесса сборки. Березин С.Я., Семичевский Г.А. предлагают два условия для обеспечения надежной, качественной и устойчивой сборки: Х высокая точность положения шпильки в начальный момент завинчивания, Х уменьшение до минимума крутящих моментов. Снижение крутящих моментов возможно технологическими и конструктивными средствами, а также путем использования интенсифицирующих воздействий (электронагрев, ультразвук, вибрации) [5, 15, 76].
15 К средствам первой группы можно отнести подбор смазочных составов, скоростей свинчивания, материалов корпусов и крепежных элементов. Конструктивные способы включают назначение минимальных припусков под резьбу, подбор оптимальных значений угла фаски на шпильке, применение вспомогательной оснастки, применение деформирующих шпилек с нестандартным профилем резьбы заходной части (А.с. 1802221 F 16 B 33/02). В работе предложено снижать величину крутящего момента подбором смазки и формой заходной части шпильки. Шпилька с островершинным профилем заходной части позволяет снизить величину крутящего момента на 25% для корпусов из сплавов АЛ9 и АЛ32 [117]. Грушева Н.Н. предлагает два типа нестандартных крепежнорезьбообразующих элемента, имеющих обратную конусность по среднему диаметру посадочного конуса и овальное сечение области заходной части [36]. Такие элементы снижают крутящие моменты сборки и повышают эксплуатационно-технические характеристики соединений. 1.1.2. Соединения с резьбоформирующими и сверлящерезьбоформирующими винтами В автомобильной промышленности, авиастроении, производстве оргтехники, строительстве широко применяются самонарезающие и резьбовыдавливающие винты. Их используют главным образом для соединения листовых материалов и пластмасс. Автомобилестроение США использует более половины производимых самонарезающих винтов [46, 66, 90]. В производстве электронной техники, приборов, там, где по техническим требованиям нежелательно образование стружки, используют резбовыдавливающие винты. Большое количество зарубежных компаний и фирм занимаются производством данного вида крепежа, в частности Camcar Textron, Elco Construction Products, Atali Associated Co., Fabco Fastening Systems, Concrete Fastening Systems, Hi-Tech Fastener. Применяются винты разных конструкций: для различных материалов и с 16 различным покрытием, многозаходные, самосверлящие винты для листового материала, для завинчивания в бетон и т.д. Некоторые из них показаны на рис.1.1. На данные изделия существуют свои стандарты в США, Германии и России: на режуще-деформирующие винты DIN 936, 937, TGL 5738, TGL 07513, а) б) в) г) д) е) ж) Рис.1.1 Самонарезающие и резьбовыдавливающие винты различных конструкций некоторых зарубежных фирмЦпроизводителей: а) Fermacell screw (Atali Associated Co.) б) Self-Drilling screws (Atali Associated Co.) в) Tapcon anchor (Elco Construction Products) г) Self-Drilling screws (Hi-Tech Fastener) д) Drill-Flex (Elco construction) е) Thread cutting screws (Hi-Tech Fastener) ж) Thread-forming screws for assembling thermoplastics (Camcar Textron) 17 ОСТ 23.4.91-76, ОСТ 37.001.181-81 - ОСТ 37.001.188-81 [85, 90, 127, 128, 131], на самосверлящие винты TGL 34379, TGL 27440, ТУ 67-637-95 [145]. Одним из крупнейших производителей резьбообразующих крепежных изделий является фирма Reminc (США), имеющая более 60 предприятий по всему миру. Продукция этой фирмы используется для ввинчивания в гладкие отверстия как пластмассовых, так и металлических деталей. Выпускаются следующие типы резьбообразующих винтов: Taptite, Duo-Taptite, Taptite II, Powerlok, Tru-Start, которые применяются в автомобилестроении и производстве бытовой техники. Аналогичную продукцию выпускает фирма Linread Automotive Co. (Великобритания). На рис 1.3 представлены резьбообразующие винты, имеющие треховальное сечение.
а) б) Рис. 1.3 Резьбообразующие винты с треховальным сечением: а) Taptite ( фирма Reminc, США), б) Corflex&Kleerlok (фирма Linread Automotive Co., Великобритания) 18 Применение данного крепежа позволяет снизить крутящие моменты сборки, снизить себестоимость сборочных работ за счет исключения операции резьбонарезания. Соединения данного типа устойчивы к вибрациям, позволяют производить неоднократный демонтаж, а в случае необходимости - заменять при ремонте резьбообразующие винты на стандартные. Несмотря на достоинства самонарезающих винтов, их широкое применение сдерживается некоторыми недостатками: прочность соединения с помощью винтов - саморезов ниже, чем у шпилечного или болтового соединения, винты с увеличенным шагом имеют неудовлетворительные показатели стопорения, при диаметре резьбы более 10 мм наблюдается нестабильность крутящего момента и деформация резьбового профиля [65, 92, 135]. 1.1.3. Соединения с резьбоформирующими и самоустанавливающимися втулками В Германии и США широко используются резьбообразующие втулки Ensat фирмы KerbЦKonusЦVestriebs (Ambarg) [128, 131, 133]. Они имеют две или четыре прорези на заходном участке для создания режущих лепестков и предназначены для завинчивания в гладкие отверстия корпусов из пластичных материалов (AlЦMg, AlЦCuЦMg) и пластмасс [131, 132, 138, 135]. Фирма Jergens Inc. (США) выпускает комплекты ремонтных втулок Master Thread, которые могут завинчиваться в неполнопрофильные резьбовые отверстия с частичным выдавливанием резьбы [138]. Также этой фирмой выпускаются спиральные резьбовые вставки для ремонтных работ. Эти изделия показаны на рис. 1.2. Китайская фирма Hengshui Hengze Special Shaped Fastening Part Co. Ltd. производит партии самоустанавливающихся втулок - гаек и Рис. 1.2 Резьбовые втулки фирмы Jergens Inc. (США).
19 болтов - заклепок (blind rivet nuts and blind rivet studs) с деформируемым пояском. Перед сборкой втулка устанавливается в отверстие листового материала, внутренняя сторона которого недоступна. Шпилька или винт завинчиваются во втулку, упираясь в ее торец или сбег резьбы и при затяжки начинает поднимать бонку с резьбовой частью, деформируя гладкий поясок с внутренней стороны. Таким образом, втулка как бы расклепывается в отверстии и прочно устанавливается. Аналогичную продукцию производит ряд компаний, такие как K & L Sales Inc. (США) и Kito Fasteners (Индия). На рисунке 1.4 показана схема работы резьбовых втулок фирмы Gripwell Fastening & Engineering Pte Рис.1.4. Схема работы втулок фирмы Gripwell Fastening & Engineering Pte Ltd. (Сингапур) Ltd. (Сингапур). Рис.1.3. Продукция фирмы Hengshui Hengze Special Shaped Fastening Part Co. Ltd. (Китай) 1.2. Проблемы совершенствования и повышения эффективности сборочно-резьбообразующих процессов Монтаж резьбо- и профилерезьбообразующих крепежных деталей обладает определенной спецификой: 1. Крепежный элемент завинчивается в гладкое резьбовое отверстие, а в отдельных случаях сам предварительно его сверлит;
2.
20 Геометрия резьбообразующих участков крепежных элементов разнообразна, так же как и принципы формообразования;
Процесс сборки соединений сопровождается значительными крутящими моментами;
Стопорение крепежно-резьбообразующих деталей производится действием последеформационной усадки отверстий, в других случаях затяжкой по сбегу резьбы или по специальным резьбовым участкам с особым профилем резьбы, в третьих случаях применяются дополнительные элементы или сопотуствующие детали на стержнях (гладкие пояски, вставки, шайбы и т.д.);
Начальный момент завинчивания крепежно - резьбообразующих деталей как правило неустойчив, что требует особых условий и средств ориентирования для совмещения осей;
Приводимые элементы выступающих частей деталей конструктивно разнообразны (шлицы, крестовые пазы, шестигранные головки и отверстия, резьбовые участки, рифления и т.д.);
Привалочные элементы базовых деталей и формы отверстий также требуют индивидуальных технических решений в конструкциях ориентирующих устройств;
СборочноЦрезьбообразующие изделия применяются в различных типах производств - от мелкосерийного до массового. Это влечет применение соответствующих средств механизации и автоматизации. Разнообразны также и отрасли, использующие данную технологию: приборостроение, машиностроение, электроника, строительство, ремонт транспортных средств и т.д.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Анализ существующих разработок в области сборочно резьбообразующих процессов позволяет установить основные направления, по которым производились исследования в области их совершенствования: 1. Исследования эксплуатационных характеристик получаемых соединений, особенно их стопорящие свойства [24, 61, 117].
2.
21 Влияние конструктивно-технологических показателей на силовые характеристики процесса сборки [24, 61, 106]. Исследование показателей соединительной операции: погрешностей относительного ориентирования, установившиеся перекосы, схемы базирования деталей, способы ориентации и т.д. [14, 24, 36, 43, 106]. Исследование вопросов взаимозаменяемости деталей при сборке, точности подготовки отверстий, допусков на резьбу посадочных участков крепежных элементов [15, 24, 61]. Интенсификация операций постановки крепежных элементов в гладкие отверстия, применение клеевых составов и прогрессивных способов монтажа [11, 13, 54, 101]. Разработка новых типов крепежных элементов с эффективной геометрией резьбовыдавливающих и режущих участков, с многоучастковой посадочной частью, с усиленной резьбой и других [10, 67, 68, 90, 91, 92, 114]. Исследование вания [15, 117]. возможностей автоматизации сборочно 3.
4.
5.
6.
7.
резьбообразующих процессов на базе автоматизированного оборудоРазработка многофункциональной сборочной оснастки, позволяющей стабилизировать силовые показатели сборки, повысить устойчивость начальных переходов завинчивания и точность положения крепежных деталей [8, 50, 61]. Возможность ввинчивания деформирующих шпилек в вышеперечисленные детали ограничена высокими значениями крутящих моментов, определяющими силовую напряженность процесса, высокие энергозатраты на завинчивание, а также эксплуатационные параметры. Вопросы силовой разгрузки наиболее полно рассмотрены в работе С.Я. Березина [15].
8.
22 Технологическое обеспечение процесса сборки с использованием стандартных деформирующих элементов ограничено в основном процессами, реализуемыми на базе универсальных сверлильных станков. В работе А.В. Хандожко [117] описан процесс монтажа на станке с ЧПУ с позиционным столом. Однако им не исследованы точностные возможности и реализуемость сборки. Отсутствуют сведения о влиянии различных погрешностей технологической системы на точность и устойчивость положения шпилек. Для монтажа деформирующих шпилек может использоваться различное оборудование, в том числе и переналаживаемое, тип которого определяет структуру процесса, производительность сборки, степень автоматизации и другие показатели [89, 126, 142]. Все оборудование, применяемое для сборки ГРС, автор работы [105] подразделяет на следующие группы: - универсальные вертикально- и радиально-сверлильные станки;
- агрегатные одно- и многошпиндельные станки;
- специальные многошпиндельные монтажные станки;
- сверлильно-расточные, фрезерные с ЧПУ;
- монтажные промышленные роботы. Благодаря представленным исследованиям сборочно-резьбообразующие процессы получили достаточно широкое применение. Крепежные элементы применяются в различных типах и отраслях производства, весьма разнообразны по форме, используется широкий спектр материалов базовых деталей, формы отверстий и типы соединений [12, 43, 91]. В ряде работ указывается, что для обеспечения качественного соединения необходимо отсутствие напряжений текучести в стержне шпилек. Это условие выполняется за счет повышения прочности материала шпилек, снижением крутящих моментов, использованием надежных соотношений диаметра резьбы к ее шагу, интенсификацией процесса резьбообразования [24, 105, 124]. Однако необходимо учесть, что условия гарантированной сборки для различных соединений носят индивидуальный характер, особенности которого 23 определяются механикой взаимодействия резьбоформирующих участков с материалом базовой детали. При этом теоретически обоснованы только принципы резьбовыдавливания деформирующими винтами и шпильками со стандартной посадочной частью [14, 24, 42, 61], а также ряда нестандартных крепежнорезьбообразующих деталей (КРЭ) [15, 36]. Нет сведений о механике резьбообразования КРЭ с режущими элементами посадочной части, а также образования удерживающего профиля в листовых материалах. Не обнаружено также сведений по боснованию вопросов устойчивости резьбовыдавливающих и самонарезающих винтов, устанавливаемых как в корпусные детали, так и в листовой материал. Не установлены режимы завинчивания КРЭ в пластмассовые детали, которые широко распространены в ремонтном производстве, приборостроении, электротехнике, строительстве и электронике [12]. Вопросам сборки соединений с резьбами менее М5, М6 также уделено мало внимания. Имеющиеся работы В.А. Лукьянова по монтажу мелкоразмерных шпилек не нашли должного развития и касаются только частных вопросов - крутящие моменты, диаметры отверстий, продольная устойчивость шпилек [6, 7]. В отличие от соединений с натягом по ГОСТ 4608-81, в которых шпилька может быть сориентирована по резьбе, в ГРС ориентирование должно осуществятся по оси и фаскам гладкого отверстия. В данном случае ручная сборка и предварительное наживление шпилек без специальных приспособлений невозможны. Это объясняется отсутствием резьбы в отверстии и как следствие неустойчивое положение шпильки в начальный момент завинчивания. Неустойчивость шпильки вызвана расклинивающим действием заходного витка при резьбообразовании [60]. Использование направляющих кондукторных втулок и специальных сборочных патронов позволяет устранить этот недостаток. Такие патроны имеют переменную структуру и в начальных фазах завинчивания работают в жестком режиме [8, 61].
24 Основным параметром при расчете ГРС является диаметр отверстия под выдавливаемую резьбу. Он определяет высоту внутреннего резьбового профиля. Припуск под резьбу рассчитывается по формуле [105]:
= d d0, где d, d 0 Цдиаметры резьбы шпильки и отверстия. Внутренний резьбовой профиль зависит еще от таких параметров, как коэффициент заполнения профиля, высота выдавленного профиля h, величина незаполнения профиля. Наиболее распространены материалы корпусных деталей из литейных алюминиевых сплавов типа АЛ4, АЛ9, АЛ10В, АЛ 32 и магниевые сплавы типа МЛ5. Реже применяют алюминиевые деформируемые сплавы и сплавы на основе меди. Корпуса из низкоуглеродистой стали c HB<190 и серого чугуна с НВ<215 используют при ввинчивании деформирующих шпилек с упроченной резьбовой частью и с интенсификацией процесса резьбообразования. Наиболее применимы резьбы М8ЦМ20 с шагом Р=1.0Ц2.0 мм. Приведенные данные позволяют установить область реализации сборочно-резьбообразующих процессов, которая будет охватывать многомерное пространство следующих признаков: 1. Диапазоны размеров резьб;
2. Материалы корпусных деталей;
3. Типы крепежно-резьбообразующих деталей;
4. Типы соединений;
5. Способы сборки соединений;
6. Схемы базирования деталей;
7. Способы загрузки и подачи деталей на сборочные позиции;
8. Виды применяемого сборочного оборудования. Исследуя технологическое пространство по 5-ти неполным признаком, С.Я. Березин установил 28 000 вариантов реализации сборочно - резьбообразующих процессов [15]. Оценить возможность получения соединений в выше 25 указанной области представляет собой серьезную техническую задачу, решить которую возможно только на основе информационно-экспертных систем [30, 52, 77, 119]. Информационная формализация сборочно-резьбообразующих процессов на основе известных средств типа таблиц решений и соответствий [3], иерархических систем моделирования В.В. Павлова [88], аппарата регулярных выражений технологии (РВТ) [73], топологических моделей М.С. Лебедовского [63, 64], структурно-алгоритмических методов [19], хотя и несут в себе элементы структурно-целевого синтеза [22], основой их является структурные принципы построения. Они обеспечивают хорошие морфологические и сетевые описания процессов, однако не имеют специальных аппаратов аналитической оценки вариантов. Для решения задачи анализа наиболее приемлемы методы комплексной коэффициентной оценки [15] и структурно - функциональных состояний [56]. Принципиально эти методы равноценны и все зависит от той совокупности оценочных параметров, которые устанавливает эксперт. Однако первый метод адаптирован под анализ эффективности сборочно-резьбообразующих процессов и обладает возможностью функционально-программного расширения, что делает его привлекательным для использования в качестве одного из субблоков информационнно-аналитической системы [17]. Решение задач информационного обеспечения необходимо вести в соответствии с нормативно-технической документацией [31, 32, 33, 104], учитывая специфику сборочно-резьбообразующей технологии целевую направленность работы. Общие проблемы, вытекающие из современного состояния технологии можно свести к следующему перечню: 1. Информационная и аналитическая проблемы;
2. Системно-классификационная проблема;
26 3. Установление окончательных границ области применения сборочнорезьбообразующих процессов;
4. Определение комплексных показателей качества соединений и автоматизация их оценок;
5. Автоматизированный контроль параметров сопряжения и управление ходом самого процесса. Первые проблемы связаны с недостаточно полным решением задач системного представления информации и разработки методик принятия решений. Например, получить групповое резьбовое соединение с хорошей плотностью стыка можно как с помощью болтовых соединений, так и винтовых, с завинчиванием винтов в резьбовые гнезда, с помощью деформирующих шпилек и соединений, усиленных резьбовыми втулками. Какому из вариантов отдать предпочтение может решить информационная система с элементами экспертной оценки, которая должна использоваться технологом на начальных этапах подготовки производства. Вторая проблема также окончательно не решена, ввиду того, что в известном классификаторе КРЭ [10, 15] не введены такие признаки, как специальные резьбы и нарезки, а также геометрические признаки КРЭ с режущими и режуще-деформирующими участками. Границей области применения не охвачены малоразмерные КРЭ и базовые детали из неметаллических материалов. Комплексные показатели качества также требуют уточнения и совершенствования в связи с расширением границ той же области применения. Кроме того, технология сборки соединений с КРЭ имеет перспективы в использовании новых крепежных элементов, современного оборудования, в проектировании эффективной оснастки и систем управления. Первые этапы сборочного процесса - ориентирование (обеспечение устойчивого углового положения относительно привалочной плоскости детали и сохранения этого положения до конца наживления) и наживление (обеспечение завинчивания заходного витка шпильки при условии сохранения точного угло 27 вого положения, достигнутого при ориентировании) являются наименее устойчивыми[57, 60, 137, 141]. Один из способов обеспечения стабильной сборки и качественного соединения - управление этапами сборки. Анализ литературных источников показал, что данный вопрос не исследовался, или исследовался для процессов резьбонарезания [28, 39]. А.В. Стариков и С.Я. Галицков в работе [109] рассматривают процесс затяжки резьбового соединения как объект управления. При этом его можно моделировать безинерционным нелинейным нестационарным звеном. Наиболее оптимальной является реализация в системе управления резьбозавертывающем модулем способа управления, когда в процессе затяжки резьбового соединения осуществляется стабилизация скорости вращения исполнительного двигателя и его отключение производится релейно при достижении контролируемым параметром (усилием или углом затяжки) заданного значения. Завалий Ю.И., Житников Ю.З., Блаер И.Л. решают задачу управления завинчиванием путем контроля и регулирования скорости вращения крепежной детали не разных переходах ввинчивания в резьбовые гнезда [21, 39, 41]. А.В. Ланщиков, В.Б. Моисеев считают, что Е системы автоматического управления резьбосборочным оборудованием (гайковертами, шпильковертами, винтовертами) можно разделить по их функциональному назначению. К первой группе можно отнести системы управления оборудованием, реализующие в основном автоматический или полуавтоматический цикл сборкиЕ. Во вторую группу систем управления следует включить Е системы, назначением которых является обеспечение качественных параметров стадии затяжки резьб [62]. Все эти положения и принципы можно в полной мере отнести и к сборочно-резьбообразующим процессам. Более того, принципы управления скоростью завинчивания КРЭ в гладкие отверстия проанализированы С.Я. Березиным [15]. Однако эти положения справедливы только для крепежных деталей со срезанным заходным витком. Работа же деформирующих винтов, самонарезающих винтов, а также элементов с нестандартной формой поперечного сече 28 ния с точки зрения динамики начальных этапов сопряжения еще не исследована. Кроме того, проблема управляемости должна решаться комплексно, охватывая не только сами переходы сопряжения, но и все этапы, включая подготовительные и послесборочные. 1.3. Состояние сборочно-резьбообразующей технологии в решении задач комплексного управления Анализ применимости КРЭ по предприятиям Забайкалья показывает, что кроме шпилечных соединений, применяемых в производстве ОАО Машзавод, АО Станкозавод, АО Завод горного оборудования, значительную долю занимают самонарезающие и сверляще-нарезающие винты. Данный тип элементов применяется на следующих предприятиях города: - Федеральное государственное унитарное предприятие Забайкальская железная дорога, ВРД (Вагоно-ремонтное депо), при ремонте вагонов ЦМВО-66 (цельнометаллический вагон открытого типа) производства АООТ Тверской вагоностроительный завод используются метизные изделия различных размеров (от 5х25 до 16х50). Общий расход составляет: для болтов 45,4 кг, винтов 11,8 кг, шурупов 74,67 кг. - Федеральное государственное унитарное предприятие 810-й Авиаремонтный завод. В год ремонтируется 75 вертолетов МИ-24 и МИ-8 (5 модификаций). Расход саморежущих винтов размером от 2х6 до 6.0х20 ГОСТ 10619-80, 11651-80, DIN 7981 составляет свыше 1500 шт. на одну машину в зависимости от модификации. - Троллейбусное управление. На один троллейбус ХТИЦ982 ГОО расход только винтов-саморезов по ГОСТ 11650-80 и ГОСТ 11652-80 размером от 2.5х6 до 5.0х20 составляет 6 кг - это 280-300 штук. (В год ремонтируется около 30 троллейбусов).
29 - ПАТП-1 (автобусный парк). На один автобус ЛАЗ-697Н расход винтов-саморезов по ГОСТ 11650-80, 11652-80 и ГОСТ 10619-80 размером от 3.0х6 до 6.0х25 составляет 7,5 кг. (В год ремонтируется около 40 автобусов). На рисунке 1.5 представлена диаграмма норм расхода крепежных элементов по предприятиям области. Кол-во, шт.
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 475 460 350 235 198 130 90 75 145 94 85 d=3 мм d=5 мм d=6 мм 55 810 АРЗ ВРД ТрУпр ПАТП- Рис.1.5. Диаграмма норм расхода крепежных изделий Следует отметить, что уровень автоматизации и механизации на вышеперечисленных предприятиях достаточно низок. Для данного типа производства характерно применение переносных и портативных завинчивающих устройств. В России и за рубежом производством этого вида продукции занимаются такие предприятия, как АО Инструм-Рэнд (Нижний Новгород), СКБ АРСО Пензенского технологического института, QuikDrive (США), Metabo (Германия) и другие. При автоматизированной сборке возможно возникновение следующих бракоопасных и критичных ситуаций (рис. 1.7): Рис.1.6. Винтоверт ПХВ-02 производства СКБ АРСО 30 1 2 [] 3 Мкр [Мкр] Мкр [Мкр] d=dО РО МИЗГ [Мкр] Мкр [Мкр] dо 2. Перекосы винтов выше критических значений; 31 3. Высокие значения крутящих моментов; 4. Проворачивание винта (нет затяжки из-за превышения d0 относительно расчетных значений); 5. Неустойчивое положение винта в начальный момент сборки (выворачивание); 6. Колебания крутящего момента при завинчивании; 7. Срез стержня винта; 8. Винт не заворачивается (занижение d0); 9. Не срабатывает загрузочное устройство; 10. Выпадение винтов из губок подающего устройства (питателя); 11. Недостаточная затяжка винта; 12. Колебания высоты выдавливаемого профиля. Анализ ситуаций показывает, что требуется управлять не только самим процессом, но и всем комплексом, включая этапы подготовки производства, подготовительные этапы: подача, ориентирование и наживление. Разработка технологии процесса сборки включает в себя подготовительный, синтетический, аналитический и заключительный этапы [44, 69]. Применительно к сборочно-резьбообразующим процессам данную процедуру можно представить в виде следующей структуры: 1. Подготовительный технологический этап (информационное обеспечение, анализ и принятие решений, аналитическая работа, заключительные фазы); 2. Подготовительный конструктивный (разработка конструкторской документации на оснастку и вспомогательное оборудование, изготовление оснастки, установка, настройка и регулировка, пробные операции, анализ и устранение недостатков); 3. Сборочный этап (загрузка и установка деталей, переходы сопряжения, снятие деталей и узлов); 32 4. Послесборочный (контроль соединений, испытания опытных партий, анализ брака, поднастройка оснастки и систем управления, анализ эффективности и технико-экономическое обоснование). В соответствии с перечисленным и ГОСТ 14.401-73 структура комплексной системы управления должна отрабатывать следующие задачи: 1. Представление информации (обзор, совет, подсказка, поиск); 2. Анализ и решение задач; 3. Управление; 4. Обработка и регистрация информации; 1.4. Основные проблемы разработки систем управления сборочнорезьбообразующими операциями Гладко - резьбовые соединения исследуются свыше двадцати лет. Тем не менее, обобщающих материалов по разработке систем управления нет. При разработке данной технологии перед автором возникли следующие проблемы: - малая информативность в вопросах описания систем управления сборочно-резьбообразующими операциями; - неизвестна эффективность применения данных систем; - нет единой методики технологической подготовки производства и его автоматизации; - мало исследованы вопросы точности при сборке соединений данного вида; - отсутствие теоретической базы по проектированию систем управления сборочно-резьбообразующими операциями; - мало исследованы способы повышения качественных показателей сборочно-резьбообразующих процессов; - не разработаны технологические рекомендации по применению данной технологии. 33 1.5 Цель и задачи исследований 1. Повышение качественных показателей сборочно-резьбообразующих процессов на основе управления этапами сборки: - повысить надежность процесса монтажа; - обеспечить широкую область применения по материалам корпусных деталей; - повысить эксплуатационно-механические характеристики соединений; - обеспечить низкую трудоемкость процесса и его экономичность. 2. Исследовать условия сборки соединений и разработать наиболее оптимальные режимы монтажа. 3. Исследовать силовые, точностные и эксплуатационно-технические характеристики соединений и сделать вывод об эффективности предлагаемой теории управления сборкой. 4. Автоматизировать процесс подготовки технологических операций. 5. Разработать технологию получения резьбовых соединений с заданными свойствами. 6. Разработать рекомендации по применению данной технологии 7. Провести внедрение результатов диссертационной работы в промышленность. ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЙ КОНСТРУКТИВНЫЙ ПАРАМЕТРЫ СОЕДИНЕНИЙ АНАЛИТИЧЕСКИЕ БЛОКИ УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОСЛЕСБОРОЧНЫЙ ИНФОРМАЦИОННОПОИСКОВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЕ Рис.1.8. Структурная схема комплексной системы управления ПРОЦЕСС СБОРОЧНЫЙ ЦЕЛЬ - ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ 35 ВЫВОДЫ: 1. Представлен анализ развития технологии сборки соединений с резьбообразующими элементами в России и за рубежом. 2. Проведен обзор современных типов крепежных элементов и технологий сборки соответствующих резьбовых соединений. 3. Установлены области применения сборочно-резьбообразующих технологий на предприятиях Забайкалья и выявлены основные проблемы их производственной реализации. 4. Определены основные пути повышения эффективности сборочнорезьбообразующих процессов на основе комплексной системы управления сборочным процессом. 5. Разработана структурная схема комплексной системы управления технологией сборки. 6. Сформулирована цель работы и основные задачи исследований. 36 ГЛАВА II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 2.1. Обоснование объема экспериментальных исследований Процесс образования соединений с резьбообразующими деталями охватывает конечную совокупность параметров, свойства которых необходимо учитывать при проведении экспериментальных исследований. Всю их совокупность можно разделить на следующие группы: - геометрические (размеры, допуски, погрешности); - физико-механические (прочность, твердость материалов, микроструктура упрочненных слоев); - силовые показатели (силы и моменты сопряжения, жесткость технологической системы, моменты демонтажа); - скоростные (угловые координаты поворота, скорости, ускорения); - функциональные, относящиеся к возможностям технологической и управляющих систем сборочной машины и информационной системе. Перечень основных параметров представлен в таблице 2.1. Одним из наиболее важных показателей процесса сопряжения и получаемых соединений является величина крутящего момента. На формирование крутящего момента косвенным образом влияют угловые перекосы винтов, неустойчивое положение винта в начальный момент времени, проворачивание приводной головки (срыв шлица) и другие внешние воздействия. Эти величины носят, как правило, вероятностный характер. 37 Таблица 2.1 Группы показателей сборочного процесса и получаемых соединений № п/п Название показателя Геометрические 3 + + + Физикомеханические 4 Группа Силовые Скоростные 6 Функциональные 1 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 2 Размеры, допуски и отклонения Прочность и твердость материалов Точность относительного расположения Погрешности относительного ориентирования Размерные связи в технологической системе завинчивающей машины Силы и моменты сопряжения Припуски под резьбообразование Скорость и время сопряжения Длины ходов исполнительных механизмов Размеры элементов готового соединения Моменты демонтожа Степень упрочнения и микротвердость резьбового профиля + + + + + + + + + 38 Продолжение таблицы 2.1 1 13. 2 Размеры и отклонения полученных резьбовых профилей Несущая способность соединения Точность постановки крепежных элементов Количество входных параметров системы управления x(t) Количество параметров управления y(t) Показатели быстродействия Число блоков информационной системы 3 + 4 5 6 14. 15. + + 16. + 17. + + + 18. 19. Величина крутящего момента характеризует процесс сопряжения. Остальные показатели могут быть отнесены к другим структурным составляющим этого процесса, которые представлены на рис. 2.1. Крепежные детали Технологическая система сборочной машины Управляющая система машины Корпусные детали и собираемый материал y(t) Процесс сборки Готовые соединения Рис. 2.1. Структура сборочного процесса x(t) 39 При создании управляющей системы объектом исследования становится сама система, так как она напрямую воздействует на формирование величины крутящего момента. Для получения удовлетворительного результата необходима такая система, которая не только управляет процессом свинчивания, но и устраняет неблагоприятные условия сборки. Вероятность возникновения этих условий снижается, если применяется оптимальная сборочная технология, которая позволяет не только активно воздействовать на процесс сопряжения, но формировать его условия на подготовительных этапах. Задачей реализации экспериментальных исследований является подтверждение правильности основных теоретических положений диссертации. Задачей же их обеспечения является разработка методики проведения экспериментов, анализ точности, достоверности и технических возможностей. 2.2. Выбор крепежных деталей и образцов для исследований Соединения с самонарезающими и резьбовыдавливающими винтами относят к классу тугих резьбовых соединений, у которых посадка обеспечивается натягом по наружному и среднему диаметрам резьбы. Плотность посадки в гнезде определяется не только натягом, но и коэффициентом трения в резьбе. От этих величин зависит крутящий момент, а также стопорящие свойства соединений. В экспериментальных исследованиях использовались: - стандартные винты М2х10, М5х20, М6х35 ГОСТ 17475-72; - винты самонарезающие, размеры от 2,5х6 до 6х55 ГОСТ 10619-80, 11652-80, 11621-80, 11650-80, DIN 7971, DIN 7981, ВН 3.5х23 № 78117054, винты самонарезающие для пластмассы № 7811-7175; - винты самосверлящие, размеры от 3х8 до 6,3х25 ТУ-14-4-1466-87, DIN 7504; - оригинальные и патентованные крепежные детали, представленные на рисунках 2.2 и 2.3. Последние включают в себя винты с патентован 40 ным резьбовым профилем Taptite, с направляющими поясками и специальными конструкциями головок для автоматической сборки. Эти изделия широко применяются при сборке оргтехники (рис.2.2). Оригинальные детали имеют специальную конструкцию в виде контактных врезных штифтов и предназначены для автоматической сборки в приборостроении. Их посадочная часть имеет коническую или цилиндрическую части с насечными винтовыми профилями с большим углом подъема резьбы (=3 - 5), (рис. 2.3). Контактные штифты устанавливают в печатные платы для вывода контрольных точек схемы. Их конструкция соответствует ТУ-27-21577-88, ТУ-27-3-1675-87, ТУ-27-3-1678-87. По сравнению с расклепывающими штифтами НП-422-73 - НП-426-73 насечные штифты позволяют обеспечить легкость монтажа простым запрессовыванием в гладкое отверстие. После их установки на обратной стороне платы производится распайка. Для перечисленных крепежных деталей можно выделить следующие схемы соединений: 1. В корпус. В корпусные материалы ввинчиваются только стандартные и саморежущие винты. 2. В листовой материал (с отверстием под резьбу и без отверстия). В лист можно вворачивать стандартные, саморежущие и самосверлящие винты, а также вышеупомянутые крепежные изделия оригинальной конструкции. Рис. 2.2. Винты Рис. 2.3. Штифты 41 Для изучения сборки деформирующих винтов использовались марки корпусных и листовых материалов, представленных в таблице 2.2. Выбор данных материалов основан на их широком распространении в различных отраслях промышленности [70]. Размеры образцов выбраны из расчета возможностей установки и удобства расположения отверстий под резьбу. Все образцы разделены на две группы: корпусные и листовые. Размеры первых составляют 100х50х30 мм, листовых 100х50 мм с толщиной от 0,5 до 1,5 мм. Таблица 2.2 Марки материалов для экспериментальных исследований Материал (корпус) Алюминиевый сплав АЛ4 Стекло органическое техническое Текстолит электротехнический Полистирол общего назначения ПСМ-115 Материал (лист) Сталь листовая холоднокатаная Алюминиевый сплав АЛ4 Стекло органическое листовое Текстолит электротехнический Полистирол общего назначения ПСМ-115 ГОСТ 2685-75 17622-72 2910-74 20282-85 ГОСТ 9904-90 2685-75 ТУ 2216-21305757593-94 2910-74 20282-85 Размер, мм (толщина) 100х50х30 Размер, мм 0,5-1, 2.3. Экспериментальная установка для исследования процесса сборки Свинчивание резьбовых соединений, исследование принципов управления сборочным процессом, регистрация возникающих при этом силовых, электрических и других параметров осуществлялось на экспериментальной уста 42 новке, общий вид и схема которой показаны на рис. 2.4 и 2.5. Она представляет собой основание в виде стальной плиты размером 500х280х10 мм, на которой установлены направляющие и завинчивающая головка. Для компенсации изгибающих усилий и погрешностей, возникающих при подаче, служит плавающий стол. На столе установлено приспособление, в котором закрепляется исследуемый образец. Приспособление представляет собой платформу с направляющими, в которые устанавливаются образцы. Оно закреплено на фланце динамометра, контролирующего силовые параметры сборки. Установка реализует следующие переходы: подача резьбового элемента в область сборки, наживление и завинчивание крепежного элемента. Для завинчивания используется головка УР-10-2С 250 с приводом от электродвигателя УТ-6Д. Привод подачи осуществляется от мотор-редукторного узла поступательного движения АР-4-2. Цикл работы привода показан на рис. 2.6, где БП - быстрый подвод, БО - быстрый отвод, S1ЕS4 - конечные выключатели. Во время свинчивания контролируются следующие параметры: величина крутящего момента M КР, осевая сила РО, изгибающая сила РИЗ, колебания величины крутящего момента М, сила тока двигателя привода I ДВ, напряжение U ДВ, угловая координата, сдвиг фаз, между отметками угловой координаты и временными опорными отметками = T Tt ; где T - период следования импульсов угловой координаты; Tt - период импульсов счетчика времени. Импульсы временной отметки необходимы для исследования динамики разгона шпинделя при завинчивании и подаются от генератора Г5-15. Динамометр представляет собой тензометрическое устройство, контролирующее крутящие моменты, осевую и изгибающие силы. Рис.2.4. Общий вид экспериментальной установки 44 Привод подачи Головка завинчивающая УРЦ10Ц2С 250 i БЭА 24 В S S БПС5/24.00.31. S Д2 1 R3 R1 R S 24 В Д Д3 Д4 Д ХТ Конт Адрес U эл.двиг. Кр. момент Осев. сила Изгиб. сила 1 Ток эл.двиг. 4 Г5- ТА 3 4 6 Счет витков 1 ХТ Адрес Конт 7 Углов. коор. DSO ЭВМ 24 В ~ 2 3 Кр. момент Осев. сила Изгиб. сила 1 2 ХТ 1 К 12- ВСА-5К Рис. 2.5. Схема экспериментальной установки 45 2.3.1. Контролируемые параметры и контрольно-измерительная аппаратура Для устранения многообразия средств и методов контроля величин служит комплекс требований и норм, определяющих организацию и методику проведения работ по оценке и обеспечению точности измерений - государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). (ГОСТ 1.25Ц76). Выбор средств измерений основан на сравнении предельной погрешности измерений с допускаемой погрешностью. Предельная погрешность не должна превышать допускаемую погрешность, составляющую от 20 до 35% допуска на контролируемый размер. Все измерения проводились с применением стандартных приборов, которые разделены на две группы - измерительные и образцовые (эталонные). Первые использовались для контроля параметров, а вторые для тарировки, сравнения, относительных отсчетов и т.д. Комплекс контрольно-измерительной аппаратуры включает в себя следующие приборы: усилитель ТА-5, осциллограф К 12-22, выпрямитель ВСА5К, генератор Г5-15, блок питания головки БПС-5/24.00.31.01, блок электроавтоматики (БЭА), цифровой осциллограф DSO 2100, ЭВМ, датчики. Сигналы с датчиков Д3, Д4, Д5 поступают через усилитель ТА 5 на осциллограф К 12-22 или на цифровой осциллограф DSO 2100. Последний преобразует аналоговый сигнал в цифровой и передает его на LPT порт ЭВМ класса Pentium. Такое дублирование сигналов предназначено для удобства визуального наблюдения и повышения достоверности результатов измерений. Датчики Д3, Д4 и Д5 снимают силовые показатели процесса: крутящий момент, осевые и изгибающие силы. Счет витков производится с помощью контактного датчика Д1, сигнал с которого поступает на генератор Г5-15, а с него на осциллографы. Датчик Д2 представляет собой оптическую пару и предназначен для контроля угловой координаты. На рисунке 2.7 показана схема датчика. Он работает следующим образом: S3 S1 S НСМ-9 Возврат S БП S Наживление S БО S Завинчивание Рис.2.6. Цикл работы привода подачи ФД- Рис. 2.7. Датчик контроля угловой координаты при завинчивании луч света проходит через конденсор и отверстия в диске, освещая фотодиод ФД-1. Диск закреплен на шпиндельном валу завинчивающей головки и имеет 36 отверстий, следующих через 10. Таким образом, частота импульсов угловой координаты равна f = z n = 0,6n где z - число отверстий в диске; n - частота вращения шпинделя. Для контроля и измерения электрического тока и напряжения двигателя завинчивающей головки используется шунт R3 и делитель напряжения R1, R2. Сигналы с этих датчиков и с контактных выключателей поступают в БЭА, где вырабатываются управляющие сигналы для привода подачи и электродвигателя завинчивающей головки. Таким образом, экспериментальная установка представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования, позволяя управлять режимом скорости завинчивания в функции величины крутящего момента. Такая конструкция необходима для исследования наиболее эффективных режимов завинчивания. 47 2.3.2. Тарировка измерителей электрических параметров Измеряемыми параметрами являются напряжение и сила тока электродвигателя завинчивающей головки. Ток снимается с шунта R3 и подается на осциллограф К 12-22 и БЭА. С помощью делителя напряжения R1 и R2 производится контроль и измерение напряжения того же электродвигателя. Осциллограммы с записью тока обрабатывались по данным тарировки шунта R3 посредством образцового амперметра типа М109 класса 0,5. Общая приведенная погрешность измерения тока складывается из двух составляющих: 2 2 = Т + И ; (2.1) где Т - погрешность тарировки; И - погрешность измерения. В свою очередь, погрешность тарировки будет содержать следующие параметры: 2 2 Т = A + A = 1.8% (2.2) где A = 1.5% - погрешность амперметра в процентах от нормируемого значения, A = 1% - погрешность наблюдения по шкале, включая личные ошибки. Погрешность наблюдения выбрана в пределах половины цены деления шкалы амперметра - 0,05 А. Предельное значение шкалы - 5 А. Тарировка шунтового резистора R3 производилась в соответствии со схемой, представленной на рис. 2.8. Эталонное напряжение UЭТ подается от стабилизированного источника питания БПС-5/24.00.31.01. Параметры первичной цепи контролируются приборами А1 и V1 (М1130А и М366 соответственно). Ток, подаваемый в измерительную систему установки, снимается с шунта R3 и контролируется образцовым амперметром М109. Изменение тока в цепи производится нагрузочным реостатом RН (300 Ом), а установка измеряемого напряжения - реостатом RР (600 Ом). Напряжение UИЗМ контролируется цифровым 48 вольтметром В5-42. На гальванометры шлейфового осциллографа К12-22 подается ток JИЗМ, сниженный корректирующим сопротивлением RК. Амплитудное отклонение подвески гальванометра устанавливается RК в соответствии с показаниями амперметра А2. Тарировочные графики представлены на рис. 2.9. Рис. 2.8. Схема тарировки шунтового резистора UЭТ А1 RР V1 RН А2 UИЗМ RК JИЗМ UИЗМ, мВ 30 20 0,25 10 0 7 КU=0,86 V1, В 13 а) 20 26 0 0, A2, A КJ=36 A1, A 5 10 б) 15 Рис. 2.9. Тарировочные графики: а) измеряемого напряжения; б) измеряемого тока В соответствии с графиками, расшифровка диаграммы проводилась на основании формулы мощности приводного электродвигателя N = K K U U J U J ИЗМ А , (2.3) где K, K - тарировочные коэффициенты; - общая погрешность измерения. 49 2.3.3. Динамометр крутящего момента Принцип действия динамометра крутящего момента основан на методе электрической тензометрии с использованием проволочных датчиков сопротивления типа 2ПКБ-20-200. Упругим элементом динамометра (рис.2.10 а) служит гильза с двумя фланцами и тонкостенной цилиндрической частью, на наружную поверхность которой наклеены три пары тензорезисторов. В процессе наклейки использовалась технология, описанная в работе [115]. Датчики ориентированы под углом 45о к продольной оси и взаимно перпендикулярно к осям динамометра (рис.2.10 б) Упругий элемент огражден кожухом со штекерным разъемом кабеля тензодатчиков. Приспособление, в которое устанавливается образец для исследования, закреплено на верхнем фланце упругого элемента динамометра. Упругий элемент нижним фланцем свинчивается с плавающим столом (рис.2.5). R1 R5 R2 P R max min R R3 R8 R сж а) б) Рис.2.10. Устройство динамометра для измерения силовых параметров сборочного процесса а) динамометр б) расположение тензодатчиков 50 Плавающая конструкция стола динамометра применяется для лучшего центрирования шпильки относительно оси отверстий деформируемых образцов. Плавание осуществляется в двух взаимно перпендикулярных направлениях на направляющих качения. 2.3.4. Тарировка динамометра и точность измерения силовых параметров Тарировка динамометра крутящего момента осуществлялась статическим нагружением его в направлении действия измеряемых моментов. Для тарировки использовались грузы массой 2; 1 и 0,5 кг, которые попарно закреплялись на подвесках торцевых тяг, перекинутых через ролики. Тросовые тяги нагружали коромысло, закрепленное в тисах динамометра. Ролики, через которые перекидывались тяги подвешивания груза, укреплены на двух кронштейнах, по правую и левую стороны от динамометра. Переустановкой кронштейнов можно менять направление скручивания. Тарировка проводилась перед каждой серией опытов. Крутящий момент определялся как произведение М КР = 9,8 m l где m - масса груза в кг; (2.2) l - длина коромысла в м. Тарировка динамометра показывает, что зависимости имеют линейный характер, механический гистерезис практически отсутствует. Погрешности измерений в результате их многократного повторения определялись по формуле max = 3 MY tg MX (2.3) где - среднее квадратичное отклонение измерений ординаты осциллограммы; - угол наклона тарировочной линии; M Y,M X - масштабы осей тарировочного графика. 51 Общая погрешность измерения силовых параметров состоит из следующих составляющих: - основная погрешность 1 = 1,5% ; - погрешность, обусловленная емкостной разбалансировкой моста 2 = 1,5% ; - погрешность, обусловленная нелинейностью амплитудно-частотной характеристики 3 = 5% ; - погрешность измерения по осциллограмме, включая личные ошибки 4 = 2% ; - дополнительные погрешности, обусловленные влиянием внешних условий 5 = 1,5%. Суммарная погрешность аппаратуры составит 6%, а общая погрешность измерений, включая погрешность тарировки, составит 6,73%. Такая точность измерений вполне приемлема, но необходимо учитывать, что она обеспечивается только при тщательной подготовке экспериментов и выполнении всех инструкций по эксплуатации регистрирующей аппаратуры. 2.4. Схемы базирования крепежных деталей Для сборки резьбовых соединений характерно неустойчивое положение крепежных элементов в начальный момент завинчивания. Поэтому важно обеспечить точное позиционирование крепежа и удержание его в этом состоянии до завинчивания первых ниток резьбы. Разнообразие крепежных элементов в современной промышленности приводит к многочисленным формам завинчивающих головок. Можно выделить несколько основных типов головок винтов. - прямой шлиц - крестообразный шлиц - наружный шестигранник 52 - внутренний шестигранник Для экспериментальных исследований использовались винты только с вышеперечисленными типами головок. В отличие от шпилечных соединений, у которых завинчивающая головка навинчивается на резьбовой конец шпильки, винты необходимо удерживать в заданном положении с помощью дополнительных приспособлений. В экспериментах для этого использовались пружинные усы. Схемы базирования представлены на рис. 2.11. а) б) в) Рис. 2.11. Схемы базирования винтов в начальный момент завинчивания: а) с использованием пружинных усов; б) губок и направляющих; в) центроискатель Кроме этого, необходимо отметить, что возможны две схемы закрепления корпусной детали. Первая - деталь плавает в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Вторая - деталь жестко закреплена. Обе эти схемы реализуются с помощью плавающего стола экспериментальной установки (рис.2.5). Для жесткого закрепления детали используются винты, которые при затягивании фиксируют положение плит стола относительно основания. 53 2.5. Способ и средства исследования стопорящих и несущих свойств соединений Стопорящие свойства соединений исследовались по моменту страгивания крепежного элемента (моменту трения) при реверсе шпинделя. Для экспериментов использовались те же образцы, что и для исследования крутящего момента. Момент страгивания контролировался динамометром крутящего момента. При этом исследовалась не только интенсивность момента отвинчивания, но и релаксация или усиление во времени. Для этого использовалась методика, применяемая в известных работах [61, 106]. Для исследования несущей способности винтовых соединений применялось динамометрическое устройство, представленное на рис. 2.12. 7 6 5 3 2 4 Рис. 2.12. Схема динамометрического устройства На столе 1 установки закреплен суппорт 2 с кронштейном 3. Пластинчатые образцы с группой винтов устанавливаются отверстиями в штыри кронштейнов 3 и 5. Динамометр 6 через винтовую пару 7 нагружает соединение растягивающим усилием. На образцы соединения наклеиваются пластинки 8 - одна с упором, а вторая - с микровыключателем 9, регистрирующим момент сдвига наружных пластин относительно друг друга. Усилие сдвига при этом также регистрируется. 54 ВЫВОДЫ 1. Представлена система конструкторско-технологических показателей процесса сборки и получаемых соединений и установлена система их взаимосвязи. 2. Обоснована совокупность крепежных изделий и материалов деталей, в которые они устанавливаются. 3. Разработана экспериментальная установка для проведения исследований с комплексом контрольно-измерительных устройств. 4. Разработана методика проведения экспериментов, подготовки аппаратуры и метрологической проработки измерений. 5. Проанализированы схемы базирования деталей, методы исследования стопорящих свойств и разработана оснастка для проверки несущей способности соединений. 55 ГЛАВА III ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССОМ Интерес к проблемам управления процессом сборки резьбовых соединений начал проявляться с середины 70-х годов прошлого столетия. Рост производительности труда и повышение требований к качеству машин стали основой для создания завинчивающих автоматов [126] и сборочных комплексов [59, 64, 125], в которых обеспечивался не только цикл сборки, но и контролировались показатели процесса и состояние технологической системы. Качество собранных узлов и агрегатов создавалось устройствами гарантированного наживления, надежной и стабильной затяжки, а также системами мер и средств формирования показателей взаимозаменяемости сопрягаемых деталей [64, 126, 129, 146]. Разработка и создание адаптивных завинчивающих машин явилось качественно новым шагом в реализации управления сборочными процессами [37, 39 62, 126]. Адаптивные системы направлены на повышение качества затяжки резьбовых соединений и повышения надежности сборки. Проблемы создания адаптивных систем были напрямую связаны с решением задач автоматического управления скоростными параметрами завинчивания. Для резьбовых соединений с зазором данные задачи были успешно решены Блаером, Гусевым, Завалием, Стариковым, Галицким [21, 40, 109]. Сборочно-резьбообразующие процессы обладают индивидуальными особенностями, требующими качественно нового подхода к решению задач управления. Многообразие резьбоформирующих крепежных деталей и схем резьбообразования приводит к необходимости комплексного подхода к решению данной проблемы. ПРИНЦИПЫ КОМПЛЕКСНОГО УПРАВЛЕНИЯ СБОРОЧНО-РЕЗЬБООБРАЗУЮЩИМ 56 3.1. Постановка задач управления Общей задачей управления является обеспечение качественных показателей процесса сопряжения деталей и получаемых при этом соединений. Основой данного направления можно считать научный потенциал работ, посвященных исследованиям в области сборки гладко-резьбовых соединений и соединений с самонарезающими винтами [24, 42, 43, 61, 117]. Проблемы автоматизации и управления циклами сборки данных соединений впервые решались в работах [15, 117], а проблемы управления скоростными показателями - в работах [15, 105]. Однако установление и поддержание одних только расчетных показателей скорости завинчивания оставляет без внимания ряд следующих вопросов: 1. По какому закону и за какое время необходимо разогнать шпиндель до данной скорости? 2. Нужно ли данную скорость поддерживать постоянной в процессе завинчивания, и, если да, то для каких соединений? 3. Как обеспечить затяжку соединений, свинчиваемых без контроля глубины сопряжения? Данные вопросы необходимо рассматривать в единой системе геометрических (размерных), силовых и скоростных показателей процесса сборки, собираемых деталей и получаемых соединений. При этом, формирование качественных показателей должно обеспечиваться на всех этапах сборки, включая подготовительные послесборочные (рис. 1.8.). Схема взаимосвязи показателей и средств управления представлена на рис. 3.1. Анализ работ, посвященных исследованиям сборочно-резьбообразующих процессов в работах [14, 24, 36, 61, 117], позволяет установить основную совокупность показателей, характеризующих собираемые детали, процесс сопряжения, готовые соединения. Если все эти показатели разделить на определенные группы, то можно установить характер их взаимосвязи. Выделив в отдельную 57 группу исходные показатели, заданные чертежом и техническими условиями, все остальные можно расположить в форме таблицы 3.1. Показатели процесса сборки Размерные Скоростные Силовые Информационнотехнологическая система Управляющая система завинчивающей машины Выходные показатели Производительность Экономичность Стабильность процесса Качество соединений Элементы предварительной настройки технологической системы завинчивающей машины Центральная ЭВМ Рис. 3.1. Схема обеспечения взаимосвязи показателей процесса и средств управления Таблица 3.1. Относительное расположение показателей Исходные данные Расчетные показате- Показатели процесса Показатели готовых ли досборочного сборки соединений этапа 11 12 13 Е 21 22 23 Е 31 32 33 Е 1 2 3 Е На основе таблицы 3.1. формируется матрица взаимодействия показателей представленная в форме таблицы 3.2. К исходным показателям отнесены 58 размеры резьбы с шагом P, углом профиля и диаметром d Г - диаметр головки винта; z - число ниток резьбы на длине свинчивания lC. Таблица 3.2. Характер связи показателей Исходные данные do [e], [ ] V, Po [M ], Pu j n M H M КР M, h упр R h, n N, B d 1k MЗ 15 1 2 0 1 1 2 2 1 1 1 21 22 23 1 0 0 0 0 1 1 2 0 2 1 0 0 0 0 1 1 2 0 2 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 24 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 25 31 1 0 0 0 0 0 1 1 1 2 1 1 0 0 0 0 2 2 2 2 32 1 2 0 0 0 0 0 0 1 1 33 1 1 0 1 0 0 0 0 1 M отв KC 11 12 13 14 1 d,d 1,d 2, P 2 3 dГ 4 z,lC L,S 5 6 fo, fш 7 f 8 HBK 9 10 K 1 1 0 0 0 0 0 0 2 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 2 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 34 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 - отсутствует взаимосвязь; 1 - прямая взаимосвязь; 2 - косвенное влияние. Размеры собираемого пакета определяются толщиной верхнего листа S и нижнего L. Ширина фасок на торце крепежного элемента f ш и в отверстии f o. Угол фаски на заходной части винта (шпильки) Ц. f - коэффициент трения в резьбовом контакте; HBK - твердость по Бринеллю материала корпуса; K - контактное давление или сопротивление материала корпуса пластической деформации. К расчетным показателям досборочного этапа относятся: 59 d o - диаметр отверстия под резьбу; - величина припуска для резьбообразования; [e],[ ] - предельные погрешности радиального и углового ориентирова ния соответственно; V,n - окружная скорость завинчивания и частота вращения крепежного элемента; Po - осевое усилие наживления; [M ] - предельный крутящий момент среза стержня крепежного элемента; B - предельное напряжение среза. Показатели процесса сборки включают параметры, проявляющиеся на основных переходах сопряжения: Pu - изгибающее усилие, приводящее к отклонению начального положения крепежного элемента; j n - радиальная жесткость технологической оснастки, несущей крепежный элемент; M H - крутящий момент наживления; M КР - конечное значение крутящего момента завинчивания без учета затяжки; N - энергоемкость сборки, кВтчас; M З - момент затяжки крепежного элемента; M - амплитуда колебаний крутящего момента при завинчивании. Показатели готовых соединений характеризуют эксплуатационнотехнические и качественные свойства. К ним отнесены: - коэффициент полноты резьбы; = d d 1k ; d d1 (3.1) где d,d 1 - наружный и внутренний диаметр резьбы крепежного элемента; 60 d 1k - внутренний диаметр сформированной резьбы. h - высота внутреннего резьбового профиля; h упр - глубина упроченной зоны по впадине внутренней резьбы; R - радиальные давления в резьбовом контакте от последеформационной усадки отверстия; M отв - крутящий момент отвинчивания крепежного элемента после его установки; K C - коэффициент стопорения крепежного элемента. В таблице 3.2. указано влияние переходных параметров (строки) на показатели, приведенные в столбцах. Однако последние также влияют друг на друга, что представлено в матрице 3.1., где строки образуют зависимые, а столбцы - независимые переменные. x 11 12 13 14 15 21 22 23 24 25 31 32 33 34 yy 11 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12 1 13 1 14 1 15 1 21 1 22 0 23 1 24 1 25 0 31 1 32 1 33 1 34 1 0 0 0 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (3.1) 61 На основании таблицы 3.1. и матрицы 3.2. можно показать как, например, формируется независимая переменная (15) [M ], B = F (,,h упр, R,d,d1,d 2, P, z,L, f, HBK,{[ ],, f ш, }) (3.2) В фигурных скобках указаны независимые переменные, оказывающие косвенное влияние на величину предельных моментов и напряжений, характер которых необходимо уточнить дополнительно аналитически или экспериментально. Таким образом, формируются возможности не только создания расчетной базы на этапе технологической подготовки операции, но и управления конкретными показателями. Данная методика положена в основу расчетно-аналитического блока системы САПР с экспертной компонентой, основные возможности которого будут описаны в разделе V. Возможности сборки и показатели получаемых соединений определяются системой условий, обеспечивающих надежность и качество: z z ; рек ( min < max ) опт ; [e] e; [ ] M КР < [M ]; ; B [М ] > К ; КЗ = З. рек М КР jn j n. расч ; PH max > Po > PH min ; ( Vmax V Vmin ) Vопт ; d do ; ( d + h упр ) d o M K c = отв K С. рек ; М кр Q max; C min; (3.3) где z рек - рекомендуемое число ниток в резьбовом контакте; опт - оптимальная величина припуска под резьбу; e, - действительные значения радиальных и угловых смещений при ориентировании; К З, К З. рек - расчетное и рекомендуемое значения коэффициентов запаса прочности; jn. расч - расчетное значение жесткости патрона; Vопт Цоптимальное значение скорости свинчивания; - величина степени деформации при резьбообразовании; h упр - глубина упрочненной зоны по впадине резьбы; K C. рек Црекомендуемое значение коэффициента стопорения; Q - производительность сборки; C - экономический показатель эффективности сборки; Задачи управления, в конечном счете, сводятся к реализации системы (3.3), которая предварительно анализируется в расчетном блоке САПД. При этом оптимизируемые величины опт,Vопт,Q,C устанавливаются в моделирующем блоке информационно-управляющей системы, а в дальнейшем, полученные таким образом расчетные величины аппаратно контролируются и устанавливаются системой управления завинчивающей машины. 3.2. Систематизация и анализ размерных показателей начального положения крепежных элементов. Низкая устойчивость крепежных деталей объясняется действием заходного витка при его внедрении в материал детали [15, 60]. Березин С.Я. предложил два способа повышения устойчивости: применение специальной удерживающей оснастки, обеспечивающей соосность собираемых деталей и формирование заходного витка с малым углом фаски для снижения его расклинивающего действия [15]. Второй способ не всегда возможен, особенно для мелких крепежных элементов, накатываемых плоскими плашками [123]. Мероприятия по приданию заходному витку особой формы приводят к удорожанию деталей [29]. Поэтому первый способ обладает большей универсальностью, однако, при этом, необходимо установить все возможные значения допустимых и действительных угловых смещений, которые должны устраняться технологической ос 63 насткой. Кроме того, допустимые угловые смещения, характерные для различных форм соединений необходимы при анализе динамики начального момента сопряжения с целью определения условий устойчивости [57]. Для этой цели всю номенклатуру выдавливающих и самонарезающих винтов можно разделить на четыре группы: 1. Винты с плоским торцом у заходной части; 2. Винты с заостренной заходной частью, несущей конический резьбовой виток; 3. Винты с направляющей цапфой; 4. Винты с одной или несколькими вырезающими канавками. Основные схемы соединений с такими деталями представлены на рис. 3.2. LS L lC а) L > lC > d б) L > P l H в) L > P dS L lC dC г) P L< 4 P L = 4 P P 2 > L > 4 д) Рис. 3.2. Основные схемы соединений lC е) LS S l l 64 Разновидности гнезд, в которые устанавливаются винты можно также разделить на три группы: 1. Толщина материала под завинчиваемый винт L > lC, ( lC - глубина завинчивания винта); 2. L > P, ( P - шаг резьбы винта); 3. L P, при этом различают гнездо без отбортовки (рис 3.2 д) и с отбортовкой (рис 3.2. е) На рис. 3.3. представлены схемы начальной ориентации винтов. Действительное угловое смещение для случая применения трубчатого питателя будет определяться по формуле: = arctg en + dn d Г 2 l (3.4) где en - радиальное смещение осей питателя и отверстия; d n - внутренний диаметр питателя; d Г Цдиаметр головки винта; l - длина основной части резьбового стержня винта; С учетом величины предельных угловых смещений винтов (см. таблицу 3.3.), величина радиального смещения будет иметь вид [e] l tg [ ] d n d Г (3.5) Для схемы 3.3 (б) предельные радиальные смещения не должны превышать величину [e] l tg [ ] (3.5) dn dS en e dS dO dH dO dГ l LS б) а) LS l ln en ln en в) г) Рис. 3.3. Схема начальной установки винтов: а) с трубчатым питателем; б) без дополнительных устройств (свободная схема); в) фиксация губками; г) пружинными усами. l 66 Таблица 3.3 Формулы для определения угловых смещений Схема соединения рис. 3.2 а рис. 3.2 б Вид углового смещения Действительное = arctg = arctg = arctg dS d 2( S + P) dS d 2( S + P) dS d d d0 2S 2tg H 2 [ ] = arctg d S d + To + Td 2( S + L) Предельное T + To [ ] = arctg d 2lc [ ] = T + To 1,227 P arctg d d d1k 2L рис. 3.2 в рис. 3.2 г d dC = arctg S 2S = arctg dS d d d0 2S 2tg H 2 ds d 2 (P + S ) [ ] = T + To 1,227 P arctg d 2L d d1k рис. 3.2 д d d1 [ ] = arctg o 2L рис. 3.2 е рис. 3.3 а рис. 3.3 в рис. 3.3 г = arctg d + d1 [ ] = arctg o 2lc d d + To + Td [ ] = arctg S 2( S + L) d d + To + Td [ ] = arctg S 2( S + L) d d + To + Td [ ] = arctg S 2( S + L) e + (d n d Г ) = arctg n 2l e = arctg n ln e + (d n d Г ) = arctg n 2(l ln S ) Примечание: en = ln tg[ ] k з, k з - коэф. запаса (1,1Е1,25) Таблицы с расчетами угловых смещений приведены в приложении 2. На практике часто применяются устройства автоматов с трубчатыми питателями, губками и пружинами [37, 64, 105]. В этом случае действительное угловое и радиальные смещения будут формироваться с учетом ограничивающего действия питателя (рис. 3.3). 67 3.3. Теоретический анализ скоростных параметров управления Выбор рациональных скоростных режимов обеспечивается следующими показателями: - Устойчивость начального положения крепежных элементов, стабильность и надежность процесса сборки; - Низкие значения крутящих моментов и эргономичность процесса; - Надежность затяжки, качество собранного узла и снижение брака. Весь ход завинчивания можно разделить на три периода: 1. Наживление или внедрение заходной части; 2. Завинчивание основной части резьбового стержня; 3. Затяжка крепежного элемента и соединения. Задача определения технологической скорости завинчивания, исходя из динамических характеристик наживления обычных резьбовых соединений с зазором впервые была решена И.Л. Блаером [21], а, исходя из соотношения линейных и угловых скоростей - А.А. Гусевым [37]. Завалий Ю.И. представлял данную задачу как процесс оптимального управления на основе принципа максимума Л.Н. Понтрягина [9, 41, 72, 93, 96]. Задача сформулирована в виде: V ( t ) t = t = Vнач ; V ( t ) t = t = Vкон [Vmin ] V ( t ) [Vmax ]; t = t кон t нач min нач кон (3.7) где t нач,t кон - время начала и окончания основного этапа завинчивания; [Vmin ],[Vmax ] - нижнее и верхнее ограничение скорости завинчивания; Результаты данных работ не могут быть использованы для сборочнорезьбообразующих процессов, т.к. последние отличаются многообразием режимов сборки, видов соединений, способов затяжки. Березиным С.Я. получена теоретическая модель динамической скорости наживления и экспериментальная формула технологической скорости свинчивания для соединений с резьбовыдавливающими шпильками и винтами [15]. 68 Однако, если рассматривать сборочно-резьбообразующий процесс как совокупность одновременно действующих силовых и скоростных показателей, то неоднозначность подходов к решению задачи определения скоростных режимов свинчивания становиться очевидна. Рассмотрим для примера четыре вида винтовых соединений и соответствующие им графики моментов и скоростей завинчивания, представленные на рис. 3.4. и полученные экспериментально. М М М М t tН V Vmax Vmin Vн Vк t а) б) Vн tC tЗ V Vк t t t V Vк Vн t в) t V Vн t г) Рис. 3.4. Режимы сборки винтовых соединений Из рисунка ясно, что представленную задачу необходимо решать комплексно, на основе учета всех особенностей, как процесса сопряжения, так и требований, предъявляемых к соединениям. 69 Решение подобных задач с применением принципов максимального быстродействия [93, 112] и минимальных энергозатрат [96, 116] будет односторонним подходом, так как данные задачи носят многокритериальный характер. Во-первых, необходимо знать закон изменения скорости при выходе в точку конца наживления VH. Во-вторых, нужно определить саму величину VH. В дальнейшем требуется реализовать определенный режим выхода в точку VK. И, наконец, на переходе затяжки, шпинделю сообщается определенный крутящий момент с одновременным снижением скорости до остановки шпинделя. Все это обеспечит выполнение условий, в соответствии с системой (3.3): t = t + t + t min; o H C З [Vmax > V > Vmin ] Vопт ; M max < [M ]; 2000 N = ( V ( t ) M ( t ) min; d C = f ( t, N, M,M ) min, o КР где t o - машинное время сборки; t H,t C,t З - составляющие переходов наживления, сопряжения и затяжки соответственно; Vmax,Vmin - пределы ограничений скорости; Vопт - оптимальное значение скорости; (3.8) d - диаметр резьбы; V ( t ), M ( t ) - функции изменения скорости и крутящего момента во времени; N - суммарные энергозатраты на процесс; C - комплексная целевая функция экономичности; M max Цнаибольшее действующее значение крутящего момента; M - амплитуда колебаний крутящего момента; 70 Установление системы условий (3.8) возможно на основе комплексного анализа управления каждым из этапов сборочного процесса. 3.3.1. Закон изменения скорости на этапе наживления Представим процесс завинчивания, производимый приводом машины на основе электродвигателя постоянного тока с редуктором и шпинделем, несущем предохранительное устройство и удерживающий наконечник. Приводной момент электродвигателя будет расходоваться на преодоление момента инерции вращающихся масс и момента сопротивления со стороны завинчиваемого крепежного элемента. Экспериментальные данные, полученные в работах [15, 61], указывают, что последний пропорционален шагу резьбы и квадрату угловой скорости завинчивания. Тогда уравнение равновесия моментов будет иметь вид: J d = M Д К М P 2, dt (3.9) где J - момент инерции, приведенный к валу электродвигателя; M Д - электромагнитный момент двигателя; К М - коэффициент пропорциональности; P - шаг резьбы; Согласно данным работы [18] момент M Д равен M Д = d M iB i Я, где d M - постоянный коэффициент, равный dM = o M П RЯ o o iB U Я, o M П - установившееся значение пускового момента; R Я - активное сопротивление обмотки якоря; o iB - установившееся значение тока обмотки возбуждения; o U Я - установившееся значение напряжения на якоре; iB,i Я - текущие значения токов обмотки возбуждения и якоря. Произведя преобразования, приведем уравнение (3.9) к виду d + a 2 2 = b 2, dt где a,b - новые переменные, равные a= KM P ; J b= d M iB i Я J (3.10) Расставив переменные и t в разные части уравнения (3.10) приведем его к форме dt = d b a 2 2 (3.11) Интеграл выражения (3.11) имеет табличную форму, имеющий следующее решение t= d b a 2 2 = b + a 1 + C1; ln 2ab b a (3.12) где C1 - постоянная интегрирования, соответствующая начальным условиям t = 0; = 0. Подставляя эти значения в последнее выражение, получим уравнение времени наживления J P dM d M i Я iВ + J ln i Я iВ d M i Я iВ J KM P J KM P J tH = 2 KM (3.13) Введем еще одну переменную D, равную D= 2 K M P d M i Я iВ, и решим уравнение (3.13) отJ et t e D D носительно окружной скорости. После преобразований получим d M i Я iB = KM P H H 1 + (3.14) 72 Данное уравнение имеет определенные особенности, отмеченные на рис. 3.5. Во-первых, скорость нарастает по экспоненциальному закону при t = 0, = 0. Во-вторых, при t, кривая ( t ) асимптотически приближается к значению H = d M i Я iB KM P Действительно, при t значение в квадратных скобках стремится к единице. Физический смысл данного явления заключается в том, что в этом случае привод переходит в режим установившегося движения, когда инерционность вращающихся масс преодолена. Для двигателя УТ-6Д при значении d M = 75 Н м А2, i Я = 10 А, i B = 0,25 А, а для крепежного элемента с шагом резьбы 1,5 мм и значения коэффициента K M = 0,34 Н с 2, предельное значение скоро Н t сти наживления будет равно Н = 75 10 0,25 = 19,3с 1 0,34 1,5 Данное решение окружной скорости соответствует частоте вращения 225об/мин. t Рис. 3.5. Закон изменения скорости наживления 3.3.2. Обеспечение устойчивости крепежных элементов в начальный момент завинчивания. Представим начальный момент постановки самонарезающего или резьбовыдавливающего винта, поместив его и завинчивающий наконечник (патрон) в 73 систему координат ZOY (рис. 3.6.). Условия равновесия для данной схемы будут описываться следующей системой дифференциальных уравнений: y m&& = Pu jn y z m&& = ( H z ) c kPz где m - масса винта и подвижных частей патрона; Pu - изгибающее усилие, действующее в направлении оси ОУ на патрон; j n - радиальная жесткость патрона; (3.15) y - радиальное перемещение от податливости патрона; H - величина сжатия пружины патрона для создания усилия наживления; z - величина вертикального перемещения винта; c - жесткость пружины патрона; kPz - сила сопротивления осевому перемещению винта; k - коэффициент пропорциональности; P - шаг резьбы; z c лия; Преобразуем систему (3.15) к слеН дующему виду y && + ay b = 0 z && + Az = 0 РО = y dO РО/2 ной где a = jn H c ; m Согласно данным работы [15] причинеустойчивости крепежнорезьбообразующих элементов является расклинивающее действие заходного витка при m ; b = Pu m ; A= c + kP ; m L z - осевое перемещение винта; L - плечо действия изгибающего уси Рис. 3.6. Схема начального момента завинчивания 74 его внедрении в стенку отверстия. Изгибающее усилие Pu должно преодолеваться осевым усилием, обеспечивающем равновесие системы, изображенной на рис. 3.6 и сам процесс наживления. Тогда справедливо следующее условие: Po d o Pu L, 2 а следовательно и Pu Po do, 2L (3.17) где Po - нормированная величина осевого усилия наживления [15] ср P 2 k ( 1,082 + tg ) tg tg Po = k P ; где k P - экспериментальный коэффициент пропорциональности; ср - условное сопротивление срезу; k - коэффициент длины среза; P - шаг резьбы; 2 - угол заборного конуса; - угол подъема винтовой линии резьбы. Отсюда, величина b примет значение b = Po do 2Lm Частное решение первого уравнения системы (3.16) будем искать в виде y = b / a, а общее решение данного уравнения будет иметь вид y = C1 cos a t + C2 sin a t + b / a, где C1 и C2 - постоянные, определяемые из начальных условий; t - время перемещения на величину y ; Постоянную C1 определим из условия t = 0, y = 0. (3.18) 75 Тогда C1 = b / a. Для определения постоянной C2, найдем скорость перемещения в виде производной выражения (3.18) & y = C1 a sin a t + C2 a cos a t (3.19) & Тогда, при начальных условиях t = 0, y = 0, выражение (3.19) дает значение второй постоянной C2 = 0. Общее решение в форме (3.18), с учетом значений постоянных будет представлено в виде y= b ( 1 cos a t ) a (3.20) Пронормируем величину перемещения y в допустимых пределах y = L tg [ ]; где [ ] - допустимое угловое смещение, согласно таблице 3.3. Подставив последнюю величину в формулу (3.20) и решая ее относительно времени перемещения по координате OY, получим ty = 1 jn 2 L tg [ ] j n arccos 1 Po d o (3.21) m Второе уравнение системы (3.16) решаем, используя аналогичную процедуру. При этом, устанавливаем нормированное значение перемещения по координате OZ. Оно соответствует полной величине внедрения заходного витка z= d do. 2 tg (3.22) После преобразований получим общее решение второго дифференциального уравнения системы (3.16) z= H c c + kP 1 cos t c + kP m (3.23) Приравняв последнее выражение к нормированному значению перемещения (3.22) и решая относительно времени, получим нормированное значение времени внедрения заходного витка по координате OZ 76 c + kP tz = m [d d o ] [c + kP] arccos 1 2tg H c (3.24) Уравнения (3.20), (3.21), (3.23), (3.24) являются полными общими решениями системы (3.16). Они устанавливают условия равновесия винта в начальный момент. Однако, данные условия обеспечиваются определенными физическими свойствами элементов механической системы, изображенной на рис. 3.6. Такими свойствами является жесткость пружины наживления патрона c и его поперечная податливость ( jn )1. Для их определения получим первую производную переменной z по времени (3.23) z= & V Vo OZ H c c + kP c + kP sin t c + kP m m (3.25) Выражение (3.25) в действительности является линейной скоростью внедрения витка по координате OZ (рис. 3.7). То& гда z = Vo. Окружная и линейная скорость Рис. 3.7. Схема взаимосвязи окружной и линейной скоростей связаны соотношением V = Vo, а окtg ружная скорость, в свою очередь - с угловой скоростью выражением: Vo = но d tg. Тогда время перемещения на величину z со скоростью Vo рав2000 t= ( d d o ) 2000. 2 tg tg d Подставив значения Vo и t в уравнение (3.25), после соответствующих преобразований, получим следующее уравнение взаимосвязи скоростных параметров для обеспечения равновесия: d tg c + kP tg tg d c + kP = arcsin m ( d do ) c + kP 2000 H c m (3.26) 77 Дальнейшие преобразования относительно величины c невозможны, поэтому ее можно получить методом пошаговой подстановки при значениях соответствующих параметров: k = ( 180...210 ) 10 6 H / м 2 ; m = 4...6 кг ; o = 30 ; tg = 0,036 ; При этом угловая скорость должна ния, (3.14). Результаты подстановки представлены на рис. 3.8. Приравняв правые части уравнений (3.21) и (3.24), получим соответствующее условие взаимосвязи показателей радиальной жесткости подвижной части патрона и осевой жесткости его пружины наживления, с - = 20 с 1 d = 5 мм d o = 3,5 мм Н = ( 25...35 ) 10 3 м соответствовать по величине формуле m, кг 10 9 8 7 6 25 установившейся скорости наживлеопределяемой Рис. 3.8. Поле значений жесткости пружины патрона jn 2 L2 tg [ ] j n c + kP = m arccos 1 Po d o m [d d o ] [c + kP ] arccos 2 tg H c (3.27) 78 Подстановка j n, Н/мм 500 450 400 350 300 7 9 11 13 15 с, Н/м m=9 кг m=8 кг m=7 кг m=6 кг соответствующих значений L, [ ], Po, позволила получить форму данной взаимосвязи, представленную на рис. 3.9. Радиальная жесткость меньше зависит от жесткости пружины патрона, но больше от его массы. Уравнения (3.14), (3.26), (3.27), описывают основные условия обеспечения равновесия и устойчивости начального момента наживления винта. Рис. 3.9. График значений жесткости подвески патрона и пружины наживления 3.3.3. Обоснование скорости на этапе завинчивания Скорость основного этапа завинчивания определяет не только техникоэкономические показатели сборки, но и эксплуатационные характеристики получаемых соединений. Очевидно, что однозначного решения в отыскании конкретного закона управления скоростью не существует, т.к. последняя связана со многими конструктивными, технологическими и экономическими показателями. Впервые влияние скорости на ряд показателей резьбовыдавливания в стали 35 представили Ю.Г. Проскуряков и В.А. Кохановский [95]. Ими установлена эмпирическая зависимость вида d 2 = 0,06 0,04 10 3 n, где d 2 - последеформационная усадка отверстия; n - частота вращения раскатника. 79 Величина крутящего момента при этом растет до значений 600700 об/мин, а затем уменьшается с ростом частоты вращения. Н.С. Буткин установил, что при сборке гладкорезьбовых соединений, с ростом скорости завинчивания, величина крутящего момента снижается, однако конкретного закона изменения скорости не установлено. Ю.И. Завалий решает данную задачу для сборки обычных резьбовых соединений с зазором на основе принципа максимального быстродействия Л.Н. Понтрягина. При этом за критерий оптимальности приняты временные показатели быстродействия (3.7), определяющие скорей условия высокой производительности в ограничениях, чем решение многокритериальной задачи оптимального управления с реализацией комплексной целевой функции. Последняя задача фрагментарно моделировалась С.Я. Березиным в среде MatCAD [15], однако параметр скорости в этом случае оптимизировался как один из составляющих параметров целевой функции процесса. При этом не устанавливался конкретный закон его уменьшения. Постановка задачи оптимального управления скоростью основана на выполнении ряда условий, вытекающих из вышеприведенных выводов, в частности уточняя условия системы (3.8): M = 0; V = V max ; M M H ; V V H ; M M З ; V 0; Vmin V Vmax ; M M M ; V Vопт ; max H kn + 4 min); Vопт ( S = 1M ik + 2 N ik + 3 Vik (3.28) где M H, VH - крутящий момент и скорость наживления; M З - крутящий момент затяжки; Vопт - оптимальное значение скорости; S - целевая функция оптимальности; 1, 2, 3, 4 - весовые коэффициенты; 80 N ik - расчетное значение мощности завинчивания; k n - коэффициент приведения; Vik - расчетное значение скорости сборки; - коэффициент заполнения резьбового профиля; i,k - порядковые номера шагов испытаний. Условия системы (3.28) охватывают ситуации, отраженные на рис. 3.4 в области значений (V, M). Действительно, если экспериментально установлены зависимости вида M = a0 + a1V + a2 z + a3V 2 + a4 zV, где a0...a4 - коэффициенты модели; z - число ниток завинченной резьбы, то дифференциал данной зависимости будет равен M dM = dM dM V + z = (a1 + 2a3V + a4 z )V + (a2 + a4V )z dV dz (3.29) В этом случае возможен вариант численной оптимизации четвертого условия системы (3.28). Задавая определенные приращения z, на каждом из этих шагов задаем ряд приращений скорости Vi. Рассчитывая на каждом из этих приращений энергозатраты N ik и прирост скорости Vik, получаем значение целевой функции S. Из ряда значений S на каждом шаге z выбираем наименьшие значения, образующие функцию Vопт = f ( z ). Алгоритм данной оптимизации и ее результаты будут представлены в следующем разделе. 3.4. Силовые показатели сборочного процесса Одними из самых исследуемых показателей сборочно-резьбообразующих процессов являются силовые. Все работы, посвященные технологии сборки гладко-резьбовых соединений и монтажа самонарезающих винтов рассматри 81 вают усилия и моменты сопряжения как определяющие [24, 43, 51, 91]. Из всей совокупности данных факторов выделяются три основные группы: - осевые усилия внедрения крепежных элементов; - крутящие моменты резьбообразования; - усилия и моменты затяжки; Осевые усилия, необходимые для формирования гладко-резьбового соединения экспериментально исследованы Н.С. Буткиным и Г.А. Семичевским. С.Я. Березин установил аналитическую зависимость осевого усилия [15]. И.У. Заиров установил подобную зависимость для соединений с самонарезающими винтами [42]. Известны работы по исследованию прочности получаемых соединений [110]. При всем многообразии предложенных аналитических и экспериментальных формул крутящих моментов, нет сведений о процессах постановки самонарезающих винтов в листовой материал. Отсутствую также сведения об усилиях затяжки таких соединений. Таким образом, анализ данных параметров является актуальной задачей. 3.4.1. Крутящие моменты, возникающие при установке винтов Процесс внедрения самонарезающего винта в отверстие листового материала напоминает скорее не резьбообразование, а профилеобразование. Он охватывает следующие переходы. 1. Ориентация винта по оси отверстия; 2. Создание осевого усилия; 3. Завинчивание с прорезанием профильного паза; 4. Затяжка пакета соединяемых листов. Основные параметры профилеобразования представлены на рис. 3.10. Крутящий момент профилеобразования определяется двумя составляющими: а) момент от действия усилия прорезания паза с соответствующими реактивными составляющими в противоположной точке контакта (рис. 3.10 г); 82 б) момент от действия усилий отгибания лепестков паза PГ с соответствующими реактивными составляющими M КР = Р d ; где Р - тангенциальное усилие завинчивания, равное P = PP f n + ( 2 PГ cos + N ) f, где PP - усилие прорезания паза; f n - коэффициент пластического трения; PГ - усилие гибки листа; (3.30) - угол подъема резьбы; f - коэффициент трения в резьбовом контакте. B d do А а) B BГ /2 PГ do в) г) PГ N PГ N б) L PГ S h1 PГ R MКР Рис. 3.10. Формирование профильного паза при завинчивании винта: а) общий вид паза; б) вид в плоскости листа; в) вид в плане; г) схема усилий в винтовом контакте 83 Составляющие PГ, PP определяются по формулам, применяемых в расчетах процессов обработки металлов давлением [108]. PP = L S B PГ = k Г B Г B S где L - длина паза (рис. 3.10 б); (3.31) S - толщина листа; B Цпредел прочности материала листа; k Г - табличный коэффициент в зависимости от соотношения R, S где R - радиус гибки; B Г - ширина гибки. Введем определенные геометрические соотношения, соответствующие схемам рис. 3.10 L = S tg ; B Г = ( 2 sin ) ; tg tg =, 2S (3.32) где - угол наклона линии гибки к касательной образующей отверстия; - односторонний припуск под резьбу. С учетом данных соотношений усилия N и PP будут равны 2 PГ 2 k Г BГ S B S 2 N= + PP = + B ; sin ( 2 ) sin ( 2 ) S2 PP = L S B = B tg После соответствующих преобразований формула (3.30) примет следующий вид: PГ = S B 2 k Г В Г 1 S + cos + f + L fn sin ( 2) tg (3.33) 84 Последнее выражение дает возможность определить величину крутящего момента профилеобразования. 3.4.2. Сборка пакета разнородных листовых материалов В условиях производства часто возникают ситуации, когда необходимо произвести сборку пакета листов из разнородных материалов, например, металЦпластмассаЦметалл. Диаметр отверстий под резьбу в верхних листах равен диаметру в нижних листах и винт при сборке начинает внедрятся в верхний лист. При завинчивании винтов в такой пакет возникают две ситуации: 1. При соотношении толщины листа к шагу резьбы S/P1,5 пакет расклинивается по резьбовым виткам. В этом случае не помогает даже предварительная стяжка пакета, поскольку при прорыве резьбового уса происходит отгибание лепестков и увеличение зазора между листами (рис. 3.11 а). 2. При толщине листа более шага резьбы (S/P>1,5) сборка аналогична сборке в корпус из слоистого материала. Рст Рст Мкр Мкр Мкр t t t Рис. 3.11. Сборка пакета разнородных листовых материалов металЦпластмассаЦметалл: а) S/P1,5; б) S/P>1,5 с предварительной стяжкой пакета; в) S/P>1,5 без предварительной стяжки; 85 При прохождении различных слоев значения крутящего момента изменяются в зависимости от свойств материала (рис. 3.11 б). Для фиксации пакета во время сборки необходимо использовать дополнительные приспособления, обеспечивающие усилие стягивания пакета Рст. Несколько отличается сборка пластичных материалов. Отгибание резьбового уса в этом случае менее выражено и меньше эффект расклинивания пакета. Для повышения несущей способности соединения рекомендуется следующий способ: отверстие под крепежный элемент не сверлят, а пробивают, при этом происходит развальцовка гнезда и дополнительное скрепление пакета (рис. 3.11 в). 3.4.3. Усилие затяжки соединения Затяжка формирует неподвижное соединение. При этом должны выполняться следующие условия, обеспечивающие неподвижность стыка соединяемых листов k З PЗР f z = PC ; [PЗ ] > PЗ > PЗР, где PЗ - действующее усилие затяжки; z - количество винтов в группе; PC - сдвигающее усилие; PЗР - расчетное усилие затяжки; k З - коэффициент запаса; [PЗ ] - предельное усилие затяжки. Распределение контактных напряжений в резьбовом соединении от действия усилий затяжки подчиняется закону, близкому к параболической форме. Решение задачи о контактных напряжениях в стыке фланцев произведено И.А. Биргером [20] на основе решения дифференциального уравнения равновесия элемента линейно-упругого контактного слоя. Частное решение данного урав 86 нения достаточно трудоемко и требует применения табличных функций А.Н. Крылова и выполнения многочисленных условий. Использование данной методики для инженерных расчетов затруднительно. Поэтому прибегнем к некоторым упрощениям, аппроксимировав закон распределения контактных напряжений формой z = З a( x 2 + y 2 ), где x, y, z - координатная система винта в соответствии с рис. 3.12; a - коэффициент соотношения интенсивности и размеров контактной площадки: a= РЗ РС РЗ РС z З R2. З R2. При z = 0, a = Рис. 3.11. Схема затянутого соединения да контактных напряжений З : V = 4 ( ax ay )dxdy, 2 2 D Определим объем параболои z З Р (3.35) где D - область интегрирования на плоскости XOY. Для решения уравнения (3.35) перейдем к полярным координатам x = R cos, y = R sin и заменим произведение dxdy на RddR. После данной замены получим R Рис. 3.12. Схема распределения контактных напряжений затяжки y 87 V = 4 ( aR )RdydR = 2 D 2 0 2 0 2 4 З a d ( R aR 3 )dR = R = R aR dy 2 (3.36) = 2 З 2a, где R = З - радиус контактной площадки. a Предположим, что напряжения от усилия затяжки распределяются равномерно в виде цилиндра радиусом R и высотой P (рис. 3.12). Тогда 2 PЗ = P R, а объем цилиндра равен этой же величине. Приравняем VP к выражению (3.36) и решим полученное соотношение относительно значения контактных напряжений равномерного закона P = 0,5 З Это соответствует усилию затяжки 2 З 2 PЗ = З R = 2 2a Расчетное усилие затяжки, в соответствии с условием (3.34) должно определяться в виде PЗP > PC kЗ f z (3.37) Тогда максимальное значение контактного напряжения, действующее по оси винта при x = y = 0 будет равно З > 2 a PC kЗ f z (3.38) Предельное усилие затяжки соответствует условию срыва резьбы (профиля) в отверстии. Это произойдет, когда резьба винта произведет отбортовку нижнего листа в области диаметров ( d d o ). Усилие отбортовки при этом равно [ ] 88 Po = 1,1 S B ( d d o ) = [PЗ ] Таким образом второе условие системы (3.34) примет вид Po > PЗ > PC kЗ f z Использовав нормированные значения усилий затяжки [45, 81], определим значения нормированных напряжений и, следовательно, максимальные сдвиговые усилия, которые будут сдерживаться затяжкой листов ЗH = 2 a PЗН,а (3.39) max PC k З f z PЗН Последнее выражение является условием устойчивости соединения. 89 ВЫВОДЫ 1. Разработана схема обеспечения взаимосвязи показателей процесса и средств управления сборочным процессом. 2. Проведена систематизация и анализ размерных показателей ориентации начального положения винтов. 3. Теоретически обоснована поставленная задача управления сборочнорезьбообразующими процессами решаемая комплексно с учетом особенностей получаемых соединений. 4. Разработана аналитическая модель закона изменения скорости свинчивания на этапе наживления и завинчивания. 5. Получены аналитические зависимости силовых показателей резьбообразования при сборке в корпус и лист, в том числе и усилие затяжки соединения. 6. Проанализирована сборка многослойного пакета разнородных листовых материалов, разработаны рекомендации по сборке данных соединений. 7. Для пакета листовых материалов установлена зависимость сдвигающего усилия от усилия затяжки. 90 ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ СБОРКОЙ СОЕДИНЕНИЯ Основные теоретические положения, разработанные в 3-м разделе оценивают параметры сборочного процесса и получаемых соединений. Правильность и достоверность полученных результатов основаны на сопоставлении их с экспериментальными исследованиями. Объем и методика проведения последних базируется на реализации основных задач, поставленных в первом разделе. Основные показатели процесса сборки и получаемых соединений формируются на следующих этапах: 1. Информационно-аналитическом; 2. Расчетном (синтетическом); 3. Подготовительном; 4. Непосредственно сборочном. Правильный выбор типа соединения, крепежного элемента, способа затяжки, режимов сборки и других параметров, выявляемых на первом этапе, позволяет установить конкретный блок расчетных параметров, включенных в карту исходных данных системы Tools-Screw, используемой на втором этапе технологической подготовки производства. На подготовительном этапе разрабатываются конструктивные элементы технологической системы завинчивающей машины: - технологическая оснастка (патроны, приспособления, загрузочные и подающие устройства); - условия реализации основных этапов сборки (условия ориентирования, усилия наживления, радиальная жесткость оснастки, закон управления скоростью сборки и т.д.); - обосновывается выбор сборочного оборудования. При реализации последнего этапа должны обеспечиваться следующие показатели [105]: 91 - надежность сопряжения деталей; - энергоэкономичность процесса; - высокая производительность оснастки; - качественные параметры получаемых соединений; Учитывая неоднородность и различную физическую природу указанных показателей, предложен комплексный показатель качества, сформированный в виде функции: S = f ( M КР ; N ; V ; ) min где N - энергоемкость сборочного процесса, Втс; (4.1) V - скорость завинчивания, м/с; - коэффициент полноты резьбы [105]. Обеспечение оптимальной области функции (4.1) возможно путем формирования определенных уровней управляющих параметров, представленных в таблице 4.1. Таблица 4.1 Этапы формирования управляющих параметров № Управляющие парап/п метры 1 Припуск 2 Скорость завинчивания 3 Длина сопряжения 4 Угол заборного конуса 5 Шаг и диаметр резьбы 6 Твердость материала стержня 7 Смазка 8 Момент затяжки 9 Погрешности ориентирования 10 Схема базирования детали 11 Жесткость патрона Обозначение V zP P, d HBc - MЗ [e],[ ] - jn + 1 Этапы сборки 2 3 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 4 + 92 Продолжение табл. 4.1 № Управляющие пап/п раметры 12 Тип крепежного элемента 13 Крутящий момент 14 Твердость материала корпуса 15 Коэффициент заполнения профиля Обозначение - М КР HBK 1 + Этапы сборки 2 3 + + + + + + + Из таблицы 4.1. следует, что на этапе сопряжения действуют три V, М КР, М З. Наряду с оставшимися параметрами, назначенными или установленными на расчетном этапе формирования сборки, они являются основными, действие которых на уровень функции (4.1) проявляется непосредственно на четвертом этапе. При этом необходимо учитывать разные возможности воздействия на эти параметры. Например, если скоростью и моментом затяжки можно управлять с помощью системы привода завинчивающей машины, то крутящий момент завинчивания является величиной производной, определяемой скоростью и другими факторами, формируемыми на 2-м и 3-м этапах [24, 61, 105]. Если управляемый процесс представить системно, то все параметры таблицы 4.1 можно разделить 3 группы: - задающие (исходные); - возмущающие (носящие случайный характер); - выходные, которые определяют уровень целевой функции S. Схема такой системы представлена на рис. 4.1. На втором и третьем этапах формируются параметры X и F, которые заложены в технических условиях или обосновываются аналитически. При этом последние на данных этапах носят только расчетный характер, а в процессе сборки (4-й этап), проявляются как случайные величины. Совокупность расчетных значений, указанных факторов образует псевдоблок задающего устройства 93 (ЗУ). Выходные величины У (2, 8, 13) формируют уровень целевой функции S и контролируются системой обратной связи завинчивающей машины. Они же, проходя регулятор РО, могут формировать как собственный уровень, так и других выходных величин. Факторы X и F также действуют на выходные величины (на схеме связи не показаны). 1 3 4 5 6 7 10 11 12 9 14 F... ЗУ МКР 13 МЗ V 2 8 S X PO Рис. 4.1. Структура управления процессом сборки Поскольку крутящий момент является комплексным показателем, во многом определяющим процесс сборки и качество образуемых соединений [15, 61, 105, 117], необходимо не только подтвердить обоснованность теоретических положений третьего раздела, но и установить возможности минимизации целевой функции в процессе соединения деталей. Данная задача решалась экспериментально. При этом были предварительно рассчитаны теоретические значения крутящих моментов для различных материалов и крепежных элементов. Расчетные значения крутящих моментов 94 для мелкоразмерных винтов в листовой и корпусный материал приведены в таблице П.3.1 и П.3.2 соответственно. Расчет производился для следующих материалов: - листовая сталь толщиной до 1,5 мм; - алюминиевый сплав АЛ4; - текстолит электротехнический; - стекло органическое; полистирол общего назначения. Эти данные использовались для сравнения теоретических и экспериментальных исследований. 4.1. Выбор определяющих факторов и интервалов их варьирования Обоснование числа определяющих факторов проведено с учетом таблицы 4.1. на основе анализа их воздействия на крутящий момент: 1. Припуск устанавливается по рекомендациям работ [24, 105] на уровне = (0,5 0,58) P 2. Параметры резьбы и геометрия заходной части задаются требованиями чертежа или определяются типом применяемого крепежного элемента. Это не относится к параметром № 6, 12, 14. 3. Тип смазки (№ 7) и параметр технологической системы машины (№ 9, 10, 11) либо относятся к технологическим рекомендациям, либо определяются расчетным путем ( j n ), либо носят случайный характер и не могут быть установлены в качестве определяющих факторов. На основании этого для экспериментальной модели крутящего момента выбраны четыре фактора: d, P, l или z, V. Их влияние наиболее ощутимо и d эти же факторы использовались в моделях предыдущих исследований [14, 24, 61, 106, 117]. 95 В таблице 4.2 приведены уровни определяющих факторов и их интервалы варьирования. Таблица 4.2 Определяющие факторы Уровни факторов Факторы Верхний Основной Нижний Интервал варьирования + 0 - x d мм 6 4,5 1, P мм 1,5 1,0 0,5 0, ld - 1,5 1,0 0,5 0, V м/с 0,073 0,047 0, 0, В ходе предварительных экспериментов установлен также характер влияния определяющих факторов на крутящий момент. На рисунке 4.2 приведены графики экспериментальных данных по различным факторам. МКР, Нм 20 15 10 5 1 1,5 а) d=3мм Р, мм 2,0 d=5мм МКР, Нм P=1,5 мм 40 30 20 10 0,5 P=1 мм l/d 1 б) 1,5 0,02 МКР, Нм 40 30 20 10 d=3мм V, 0,05 0,08 м/с в) d=5мм Рис. 4.2. Графики экспериментальных зависимостей крутящего момента: а) от размеров резьбы; б) от длины сопряжения; в) от скорости Наибольший линейный характер влияния оказывают шаг резьбы, длина свинчивания и скорость. Поэтому, принято решение об использовании в качестве модели зависимости второго порядка вида [78]: 96 М КР = a0 + 1 i k ai xi + aij xi x j + aii xi 1 i j k 1 i k (4.2) где a 0 - свободный член; ai, aij, aii - истинные значения коэффициентов модели; k - число факторов; Порядок проведения экспериментов и обработка результатов соответствуют методам планирования экспериментов второго порядка. Однако предварительно был решен вопрос о выборе наиболее оптимальной формы плана. Одним из критериев оптимальности можно считать число опытов в них [78]. На практике стремятся к минимальному числу опытов. Ввиду сложности организации экспериментов по уровням определяющих факторов, отнесенных к звездным точкам, отказались от использования симметричных композиционных ортогональных планов и приняли для реализации наиболее экономичные и близкие к D-оптимальным планам Хартли [78]. В них реализуется одно требование к плану ядра: это должна быть реплика, дающая возможность оценить коэффициенты при парных взаимодействиях независимо друг от друга. Такому требованию отвечают реплики с одно-, двух- и четырехбуквенными взаимодействиями. Так в задачах, где k = 4 реализуются реплики 24-1 с 1x1x2x4, 1x1x3x4, 1x2x3x4, 1x1x2x3. В качестве базового выбран план Хартли на кубе с k = 4 и числом опытов в ядре N1 = 8, с числом звездных точек 2k = 8 и одним опытом в центре n0 = 1. Общее число опытов N = 17 [78]. Для автоматизации регрессионного анализа по обработке результатов плана использовался аппарат обработки данных в среде Excel. Данное средство позволяет получать регрессионные коэффициенты модели в натуральном масштабе с одновременным получением совокупности оценочных статистик (дисперсии коэффициентов регрессии S 2 [ai ], общее корреляционное отклонение B, коэффициент множественной корреляции Rij и др.). 97 Дальнейшая последовательность обработки экспериментальных данных проводилась по стандартной методике, изложенной в ряде работ [48, 55, 78, 83, 84]: 1. Проверялась значимость коэффициентов модели по t-критерию; 2. Проверялась адекватность окончательного варианта модели по Fкритерию. Полученные коэффициенты уравнений регрессии приведены в таблице 4.2. Таблица 4.3 Коэффициенты уравнений регрессии для определения значений крутящих моментов (сборка в корпус) Материал Ал4 а0 а1 а2 а3 а4 а5 а6 а7 а -689935 79183,2 490057 -678978 119414 8,64 17,05 135791 56, Текстолит -1E+06 167304,4 982374 -2E+06 269239 6,75 16,11 356189 103,7 Оргстекло -1E+06 144728,4 838935 -2E+06 235852 3,71 10,24 321675 85,9 Полистирол -512827 60647,7 349318 -687172 99320 1,16 3,63 137434 35, Продолжение табл. 4.3 Материал Ал4 а9 а10 а11 а12 4186780 а13 а14 а15 а -1250,7 476,5 -2E+ -63087 -12,79 7899487 -1E+ Текстолит -1278,4 485,1 -4E+06 Оргстекло -824,48 321,7 -4E+06 Полистирол -285,91 116,6 -2E+ 9374551 -132438 -21,25 2,1E+07 -2E+08 8214449 -114285 -17,69 1,9E+07 -2E+08 3462976 -47809 -7,40 8230443 -9E+ Обобщенная форма экспериментальной модели крутящего момента имеет вид: М КР = a0 + a1 d + a2 P + a3 ( l / d ) + a4 P 2 + a5 ( l / d )2 + a6 P ( l / d ) + + a7 d ( l / d ) + a8 V ( l / d ) + a9 P ( l / d ) V 2 + a10 ( P V )2 + a11 d V + + a12 ( d V )2 + a13 d P 2 + a14 P d V ( l / d ) + a15 V + a16 V (4.3) 98 Результаты измерений крутящего момента приведены в таблицах П.3.3 - П.3.6. На рис. 4.3 представлены осциллограммы записи крутящего момента для корпуса из сплава АЛ4 (а) и в лист (б) толщиной 1 мм того же материала. Последняя осциллограмма (в) показывает изменение крутящего момента для контактных штифтов с большим углом наклона резьбовой линии (материал листа - текстолит). Запись производилась на цифровом осциллографе DSO 2100. а) б) в) Рис. 4.3. Осциллограммы с записью крутящего момента Рис. 4.4. Осциллограмма с записью крутящего момента, тока и напряжения приводного электродвигателя На рис. 4.4 представлена осциллограмма записи крутящего момента при завинчивании стандартного винта M3 в гладкое отверстие для корпуса из АЛ4. Запись производилась на осциллографе К12-22. 99 Если рассматривать процесс завинчивания до перехода затяжки, то уровень целевой функции на данном этапе будет формироваться только величинами крутящего момента и скоростью. При этом скорость сама входит определяющим фактором в функцию момента. Таким образом, очевидна следующая последовательность определения значения целевой функции: ( X, F ) V М КР S, а так как параметры X, F устанавливаются до 4-го этапа, то оптимальное значение скорости и будет формировать тот уровень производительности, энергоемкости и качества соединений, какие соответствуют оптимуму функции S. Таким образом была сформирована задача установления оптимальной функции скорости в процессе управления (закон управления скоростью). 4.2. Сравнение экспериментальных и теоретических данных Сравнивались значения крутящих моментов, полученных по формуле (3.33) с экспериментальными значениями, рассчитанными по формулам (4.3). Сравнительные графики представлены на рис. 4.5. МКР, Нм 40 - экперим. - - - теоретич. Р1=2мм МКР, Нм 30 Р1=2мм 20 10 Р2=1мм 3 5 6 d, мм - экперим. - - - теоретич. 0, 30 Р2=1мм 0,07 V, м/с 0, a) б) Рис. 4.5. Расчетные зависимости крутящих моментов, полученных по теоретическим и экспериментальным данным: а) для корпусных материалов из АЛ4, б) из текстолита 100 При увеличении диаметра резьбы в области верхних значений отклонение составляет 15-18% для корпусов из АЛ4 и 12-14% для пластмасс. В области нижних значений d отклонения результатов составляют 17-23% для верхних значений шагов резьб корпусов из АЛ4 и 8-10% для нижних значений шагов. При тех же условиях отклонения значений М КР для пластмасс составляет 14-19% и 10-16%. Средние значения сходимости результатов по общей массе экспериментов составляют: а) корпуса из АЛ4 - 15-20%; б) корпуса из текстолита - 11-17%; в) корпуса из пластмасс - 8-16%. Данные результаты можно считать удовлетворительными, т.к. теоретические результаты практически полностью входят в область доверительных интервалов экспериментальных значений, полученных с помощью компьютерных значений стандартной ошибки [48, 84]: x = t КР S ; n где t КР - критерий Стьюдента; S - среднее квадратичное отклонение; n - число испытаний. Доверительные интервалы составили для резьбы М5: а) для корпусов из АЛ М КР 2,96 Н м ; б) для корпусов из текстолита М КР 2,37 Н м ; в) для корпусов из оргстекла М КР 1,35Н м ; г) для корпусов из полистирола М КР 0,46 Н м ; 101 4.3. Экспериментальное определение функции оптимальной скорости свинчивания Расчет крутящих моментов по уравнениям регрессии показал следующий характер их изменения: с ростом скорости значения крутящих моментов уменьшались до определенного предела, а затем снова увеличивались. Последнее явление объясняется динамическими процессами, которые возникают в резьбовом контакте при высоких скоростях свинчивания. В большей степени это заметно для винтов с крупным шагом резьбы. Необходимо отметить, что формирование резьбы - сложный процесс, на который оказывает влияние не только скорость свинчивания, но и конструктивные параметры крепежного элемента, физические свойства корпусной или листовой детали и т.д. С другой стороны, при росте скорости свинчивания возрастает производительность, что немаловажно в массовом производстве. Таким образом, сборочный процесс представляет собой многокритериальную задачу, для решения которой необходимо использовать аппарат оптимизации [83, 84, 98]. В работе С.Я. Березина [15] подобная задача решалась путем установления целевой функции, в которой суммируются параметры, оказывающие воздействия на процесс сборки. Расчет всех комбинаций параметров резьбовых соединений представляет собой сложную и объемную задачу. Количество всех комбинаций достигает нескольких тысяч. Поэтому в рамках данной диссертационной работы была решена задача оптимального управления для следующих соединений: винты с диаметрами от 3 до 6 мм, шагом резьбы от 0,5 до 1,5 мм и для четырех материалов (алюминий, текстолит, оргстекло и полистирол). Диаметр винта в указанных пределах не оказывает существенного влияния на крутящий момент, поэтому при формировании экспериментальной модели целевой функции вида (4.1) этим фактором пренебрегли. 102 Для установления окончательного вида экспериментальной модели целевой функции анализировались результаты известных работ в области крепежно-резьбообразующих процессов [15, 24, 61, 105], результаты предварительных экспериментов и исследования крутящего момента (раздел 4.1). Данные результаты сведены в единую систему условий комплексного конструктивно-технологического обеспечения сборочно-резьбообразующих технологий. Так надежность процесса должна обеспечиваться следующей системой условий: min < max ; ( ) = 0,7 0,85; < [ ]; e < [e] M 0; М < [М ] КР PO PH ; TШ > k З TK ; V V (t t ), H H ( ) - коэффициент полноты резьбы в функции припуска; [ ],[e] - предельные значения угловой и радиальной погрешности относительного ориентирования соответственно; M - колебания (амплитуда) крутящего момента при сборке; [M ] - предельное значение момента среза стержня крепежного элемента; PO, PH - осевое усилие и усилие наживления в начальный момент сборки; (4.4) где min, max - предельные расчетные значения припуска под резьбу; TШ - предел текучести материала стержня крепежного элемента; k З - коэффициент запаса прочности; TK - предел текучести материала корпуса; VH - конечная скорость наживления; 103 t H - время перехода наживления. Производительность сборки должна обеспечивать сменное задание, гарантировать необходимые показатели процесса. Она определяется временем завинчивания, затяжки и вспомогательных переходов. Вся система условий необходимой производительности включает следующую структуру: N CM Q QCM ; t ШТ t ШТ = t n + t З + t всп ; d z ; t З = f1 (VЗ ); t n = 1000 V Vmin V Vmax ; V Vопт ; V = f 2 ( М КР ; P; ; Книги, научные публикации